Une équipe de recherche dirigée par l'Université de Kobe a mis en lumière le mécanisme par lequel les cyanobactéries (Synechocystis sp. PCC 6803) produisent du D-lactate, montrant que l'enzyme malique facilite cette production. Ensuite, ils ont réussi à produire le taux le plus élevé au monde (26,6 g/L) de D-lactate directement à partir de CO 2 et la lumière en modifiant la voie de synthèse du D-lactate à l'aide du génie génétique.

On s'attend à ce que ce succès contribue au développement d'importantes technologies de traitement pour la production d'acide polylactique, qui est utilisé pour fabriquer des plastiques biodégradables. Cela pourrait aider à rendre le concept d'un société à faible émission de carbone une réalité.

Le groupe de recherche était composé du professeur HASUNUMA Tomohisa (du Centre de recherche en biologie de l'ingénierie de l'Université de Kobe), Professeur agrégé de projet HIDESE Ryota (de la Graduate School of Science de l'Université de Kobe, Technologie et innovation) et professeur agrégé OSANAI Takashi (de l'École d'agriculture de l'Université Meiji).

Les résultats de cette recherche ont été publiés en ligne dans la revue scientifique internationale ACS Biologie Synthétique le 31 janvier 2020.

L'utilisation de la bioproduction pour synthétiser des composés chimiques polyvalents et des matières premières fonctionnelles qui sont généralement dérivées du pétrole est vitale pour l'environnement et la durabilité des ressources. Dans les années récentes, les méthodes de bioproduction utilisant des microbes ont attiré l'attention. Parmi ces microbes se trouvent les microalgues. Il est possible de produire diverses substances utiles telles que des huiles et des pigments à partir de microalgues en utilisant la lumière du soleil et du CO 2 .

Les cyanobactéries sont un type de microalgue à croissance rapide qui est facile à modifier génétiquement. Les cyanobactéries ont déjà été utilisées pour produire du D-lactate, cependant, le faible rendement a été un obstacle qui empêche l'application pratique de ces méthodes.

Les cyanobactéries transforment le CO 2 dans le sucre glycogène via la photosynthèse. Si la cyanobactérie qui a accumulé du glycogène à l'intérieur de ses cellules est ensuite placée dans un environnement sombre sans oxygène, le glycogène est métabolisé par les cyanobactéries et sécrète des acides organiques (tels que succinique et lactique) dans le milieu de croissance.

Pour synthétiser le D-lactate à partir de cyanobactéries, il doit y avoir une augmentation de la production de pyruvate. Ce groupe de recherche a découvert que l'enzyme malique, qui transforme l'acide malique en pyruvate, est vital pour la production de D-lactate. Ils ont utilisé la métabolomique dynamique pour éclairer le mécanisme derrière la production de D-lactate. A travers cette analyse, ils ont découvert que lorsqu'un excès d'enzyme malique est produit à l'intérieur des cellules, non seulement l'acide malique est converti en pyruvate, mais aussi la voie de production de pyruvate à partir de glycogène est activée (Figure 1). Le D-lactate est biosynthétisé à partir du pyruvate par la D-lactate déshydrogénase. Le groupe de recherche a réussi à produire 26,6 g/L de D-lactate avec un taux de conversion de 94,3 % à partir du glycogène accumulé en manipulant génétiquement la D-lactate déshydrogénase pour optimiser sa fonction (Figure 2).

Cette recherche représente une avancée importante vers le développement d'un procédé industriel pour produire du D-lactate à partir de CO 2 . Le groupe vise à continuer à augmenter la production de D-lactate grâce à l'optimisation des voies métaboliques et à l'analyse des conditions de culture.

Il existe un grand marché pour le D-lactate, qui peut être utilisé comme matière première dans la production de PLA stéréocomplexe qui est un plastique biodégradable. D'autre part, une pureté et une productivité élevées sont nécessaires pour rendre viables la synthèse biologique du D-lactate à l'aide de microbes. Des méthodologies de bioproduction qui utilisent des microbes hétérotrophes comme E. coli existent, cependant, ceux-ci utilisent le sucre (glucose) du maïs ou de la canne à sucre comme source d'énergie pour la production. Cela signifie que la culture de ces plantes pour la bioproduction pose une multitude de problèmes, comme la concurrence avec les sources de nourriture, l'utilisation des terres arables et des ressources en eau douce, et contribution à la destruction de l'environnement (par exemple, la déforestation).

Cyanobactéries, d'autre part, est un microbe idéal pour produire des substances utiles, car il peut convertir le CO 2 fixé via la photosynthèse dans divers composés cibles. En outre, les cyanobactéries ont une capacité de photosynthèse beaucoup plus élevée que les plantes, ce qui signifie qu'il peut même être cultivé sous une forte lumière. Il ne nécessite pas de sol et de nombreuses variétés peuvent être cultivées en eau de mer. Par conséquent, on espère que les cyanobactéries peuvent fournir la base ultime pour la bioproduction car elles ne nécessitent que la lumière du soleil, CO 2 et eau de mer.

Il est bien connu que les cyanobactéries pourraient fournir un moyen de synthétiser le D-lactate, et des tentatives ont été faites pour stimuler la production de D-lactate en utilisant la modification génétique. Cependant, presque tous les systèmes qui produisent du D-lactate sont liés à la propagation via la photosynthèse, de sorte que de faibles quantités de cette substance cible sont synthétisées. La raison en est que le mécanisme de production de D-lactate chez les cyanobactéries n'a pas été bien compris.

Les techniques d'analyse du métabolome permettent aux chercheurs d'identifier et de calculer la multitude de composés présents à l'intérieur des cellules. Ce groupe de recherche a développé une « métabolomique dynamique » qui leur a permis d'observer la quantité de substances métabolisées au fil du temps.

Le Synechocystis sp. La cyanobactérie PCC 6803 utilisée dans cette étude est l'une des cyanobactéries les plus étudiées dans le monde. C'est un organisme modèle pour la production de photosynthate car il est facile à modifier génétiquement et à croissance rapide. Des recherches antérieures menées par ce groupe en utilisant la métabolomique dynamique ont montré que l'acide succinique est principalement produit via l'acide malique dans Synechocystis sp. PCC 6803. L'étude actuelle s'est concentrée sur l'enzyme malique, qui transforme l'acide malique en pyruvate. D'abord, ils visaient à élucider les effets de l'enzyme malique sur le métabolisme de Synechocystis sp. PCC 6803 par métabolomique dynamique. Leur objectif ultérieur était d'augmenter la production de D-lactate en utilisant l'ingénierie métabolique.

Méthodologie de recherche

Deux types de cellules ont été créés afin d'étudier de manière approfondie le mécanisme derrière la production de D-lactate :1. Les cellules qui n'avaient pas de fonction enzymatique malique et 2. Les cellules dans lesquelles cette fonction était optimisée, conduisant à une surexpression de l'enzyme malique.

La métabolomique dynamique a été utilisée pour analyser la différence de métabolisme entre ces deux cellules. Il a été constaté qu'une plus grande quantité de pyruvate était produite à partir du glycogène lorsque le niveau d'acide malique dans les cellules était faible (Figure 1).

Le groupe de recherche a en outre modifié génétiquement des cellules optimisées pour l'enzyme malique afin de surexprimer la D-lactate déshydrogénase, et amélioré la fonction de la D-lactate déshydrogénase de produire du D-lactate à partir du pyruvate. En outre, le groupe a génétiquement modifié les cellules pour éliminer l'enzyme acétate kinase afin de supprimer la production d'acides sous-produits.

Le Synechocystis sp. Le PCC 6803 a ensuite été cultivé dans un environnement anoxique sombre (conditions de fermentation). Dans ces conditions, les cellules ont atteint la densité optimale. Ce groupe de recherche a dépassé de loin le précédent rendement le plus élevé au monde de D-lactate (10,7 g/L), en produisant 26,6 g/L à un débit de 0,185 g/L/h (Figure 2). On pense que cette découverte peut contribuer à un processus à faible coût pour produire des niveaux élevés de D-lactate.

De plus amples recherches

Les cyanobactéries peuvent être utilisées pour produire de nombreux composés chimiques polyvalents et matières premières fonctionnelles, cependant cette technologie n'est pas encore suffisamment développée pour être mise en œuvre à l'échelle industrielle. Le gros problème est que des niveaux inférieurs du composé cible sont produits à l'aide de cyanobactéries, par rapport aux quantités produites lors de l'utilisation de micro-organismes hétérotrophes. La recherche actuelle a montré que l'analyse métabolomique dynamique est très efficace pour évaluer la fonction de Synechocystis. Sur la base du résultat de la métabolomique dynamique, ce groupe a permis aux Synechocystis de fonctionner à leur plein potentiel en modifiant génétiquement leur métabolisme.

On espère que l'augmentation de la productivité photosynthétique des cyanobactéries grâce à la métabolomique dynamique et à l'ingénierie métabolique pourrait contribuer à la réalisation d'un système durable, société bas carbone.