Les thylacoïdes végétaux sont encapsulés dans des micro-gouttelettes d'environ 90 micromètres de diamètre. Equipé d'un ensemble d'enzymes, les chloroplastes semi-synthétiques fixent le dioxyde de carbone à l'aide de l'énergie solaire, suivant l'exemple de la nature. Crédit :Institut Max Planck de microbiologie terrestre/Erb
Sur des milliards d'années, les micro-organismes et les plantes ont développé le processus remarquable que nous connaissons sous le nom de photosynthèse. La photosynthèse convertit l'énergie solaire en énergie chimique, fournissant ainsi à toute vie sur Terre de la nourriture et de l'oxygène. Les compartiments cellulaires abritant les machines moléculaires, les chloroplastes, sont probablement les moteurs naturels les plus importants sur terre. De nombreux scientifiques considèrent la reconstruction artificielle et le contrôle du processus photosynthétique comme le « projet Apollo de notre temps ». Cela signifierait la capacité de produire de l'énergie propre — du carburant propre, composés de carbone propres tels que les antibiotiques, et d'autres produits simplement à partir de la lumière et du dioxyde de carbone.
Mais comment construire sa vie, cellule photosynthétique à partir de zéro ? La clé pour imiter les processus d'une cellule vivante est de faire fonctionner ses composants ensemble au bon moment et au bon endroit. A la Société Max Planck, cet objectif ambitieux est poursuivi dans une initiative multi-laboratoires interdisciplinaire, le réseau MaxSynBio. L'équipe de recherche de Marburg dirigée par le directeur Tobias Erb a réussi à créer une plate-forme pour la construction automatisée de compartiments photosynthétiquement actifs de la taille d'une cellule, "chloroplastes artificiels, " qui sont capables de capturer et de convertir le gaz à effet de serre dioxyde de carbone avec la lumière.
La microfluidique rencontre la biologie synthétique
Les chercheurs de Max Planck se sont appuyés sur deux développements technologiques récents :d'abord la biologie synthétique pour la conception et la construction de nouveaux systèmes biologiques, tels que les réseaux de réaction pour la capture et la conversion du dioxyde de carbone, et deuxième microfluidique, pour l'assemblage de matériaux souples, telles que des gouttelettes de la taille d'une cellule.
« Nous avions d'abord besoin d'un module énergétique qui nous permettrait d'alimenter des réactions chimiques de manière durable. En photosynthèse, les membranes chloroplastiques fournissent l'énergie nécessaire à la fixation du dioxyde de carbone, et nous avons prévu d'exploiter cette capacité ", Tobias Erb explique.
Production de micro-gouttelettes et observation en temps réel sur une plateforme microfluidique. Les micro-gouttelettes sont collectées dans une chambre où leur activité peut être contrôlée au microscope en temps réel, y compris la quantification de l'activité enzymatique en mesurant la fluorescence du NADPH. En utilisant le champ clair, les gouttelettes sont localisées et les membranes photosynthétiquement actives peuvent être vues. Ces membranes sont fluorescentes lorsqu'elles sont excitées. Les populations de gouttelettes sont distinguées à l'aide d'un colorant codant, qui est observable lorsque les gouttelettes sont excitées par une longueur d'onde spécifique (550 nm). La production de NADPH des gouttelettes est observée en utilisant la fluorescence NADPH (en utilisant, 365 nm). Crédit :Institut Planck de microbiologie terrestre/Erb
L'appareil de photosynthèse isolé de la plante d'épinard s'est avéré suffisamment robuste pour pouvoir être utilisé pour entraîner des réactions uniques et des réseaux de réactions plus complexes avec la lumière. Pour la réaction sombre, les chercheurs ont utilisé leur propre module métabolique artificiel, le cycle CETCH. Il se compose de 18 biocatalyseurs qui convertissent le dioxyde de carbone plus efficacement que le métabolisme du carbone naturellement présent dans les plantes. Après plusieurs tours d'optimisation, l'équipe est parvenue à une fixation contrôlée par la lumière du gaz à effet de serre CO
Le deuxième défi était l'assemblage du système dans un compartiment défini à une échelle microscopique. En vue d'applications futures, il devrait également être facile d'automatiser la production. En collaboration avec le laboratoire de Jean-Christophe Baret au Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) en France, les chercheurs ont développé une plate-forme pour encapsuler les membranes semi-synthétiques dans des gouttelettes de type cellulaire.
Plus efficace que la photosynthèse de la nature
La plate-forme microfluidique résultante est capable de produire des milliers de gouttelettes standardisées qui peuvent être équipées individuellement en fonction des capacités métaboliques souhaitées. "Nous pouvons produire des milliers de gouttelettes équipées de manière identique ou nous pouvons donner des propriétés spécifiques à des gouttelettes individuelles, " a déclaré Tarryn Miller, auteur principal de l'étude. "Ceux-ci peuvent être contrôlés dans le temps et dans l'espace par la lumière."
Contrairement au génie génétique traditionnel sur les organismes vivants, l'approche bottom-up offre des avantages décisifs :Elle se concentre sur un design minimal, et il n'est pas nécessairement lié aux limites de la biologie naturelle. « La plateforme nous permet de réaliser de nouvelles solutions que la nature n'a pas explorées au cours de l'évolution, " explique Tobias Erb. Selon lui, les résultats recèlent un grand potentiel pour l'avenir. Dans leur publication dans la revue Science , les auteurs ont pu montrer que l'équipement du "chloroplaste artificiel" avec les nouvelles enzymes et réactions entraînait un taux de liaison du dioxyde de carbone 100 fois plus rapide que les approches synthétiques-biologiques précédentes. "À long terme, des systèmes réalistes pourraient être appliqués à pratiquement tous les domaines technologiques, y compris la science des matériaux, biotechnologie et médecine, nous ne sommes qu'au début de ce développement passionnant. les résultats sont une nouvelle étape pour surmonter l'un des plus grands défis de l'avenir :les concentrations toujours croissantes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.
