Des chercheurs du Centre brésilien de recherche sur l'énergie et les matériaux (CNPEM) ont génétiquement modifié un champignon pour produire un cocktail d'enzymes qui décomposent les glucides de la biomasse, tels que les déchets de canne à sucre (têtes et feuilles) et la bagasse, en sucre fermentescible pour une conversion industriellement efficace en biocarburant.

Le développement de cocktails enzymatiques à faible coût est l'un des principaux défis de la production d'éthanol de deuxième génération.

Les biocarburants de deuxième génération sont fabriqués à partir de divers types de biomasse non alimentaire, y compris les résidus agricoles, copeaux de bois et déchets d'huile de cuisson. Le procédé du groupe de recherche du CNPEM ouvre la voie à une utilisation optimisée des résidus de canne à sucre pour produire des biocarburants.

Le champignon Trichoderma reesei est l'un des producteurs les plus prolifiques d'enzymes dégradant la paroi cellulaire des plantes et est largement utilisé dans l'industrie biotechnologique. Pour augmenter sa productivité en tant que bio-usine du cocktail enzymatique en question, les chercheurs ont introduit six modifications génétiques dans RUT-C30, une souche du champignon accessible au public. Ils ont breveté le procédé et l'ont rapporté dans un article publié dans la revue Biotechnologie pour les biocarburants .

"Le champignon a été modifié de manière rationnelle pour maximiser la production de ces enzymes d'intérêt biotechnologique. En utilisant la technique d'édition de gènes CRISPR/Cas9, nous avons modifié des facteurs de transcription pour réguler l'expression des gènes associés aux enzymes, protéases supprimées qui ont causé des problèmes avec la stabilité du cocktail enzymatique, et ajouté des enzymes importantes dont le champignon manque dans la nature. Par conséquent, nous avons pu permettre au champignon de produire une grande quantité d'enzymes à partir de déchets agro-industriels, une matière première bon marché et abondante au Brésil, " Mario T. Murakami, Directeur scientifique du Laboratoire des Biorenouvelables (LNBR) du CNPEM, a déclaré Agência FAPESP.

Quelque 633 millions de tonnes de canne sont transformées par récolte au Brésil, générant annuellement 70 millions de tonnes de déchets de canne (masse sèche), selon la Société nationale d'approvisionnement alimentaire (CONAB). Ces déchets sont sous-utilisés pour la production d'éthanol carburant.

Murakami a souligné que pratiquement toutes les enzymes utilisées au Brésil pour décomposer la biomasse sont importées de quelques producteurs étrangers qui gardent la technologie sous la protection du secret commercial. Dans ce contexte, le cocktail enzymatique importé peut représenter jusqu'à 50 % du coût de production d'un biocarburant.

« Dans le paradigme traditionnel, des décennies d'études ont été nécessaires pour développer une plateforme compétitive de production de cocktails enzymatiques, " dit-il. " De plus, les cocktails ne pouvaient pas être obtenus uniquement par des techniques de biologie synthétique à partir de souches accessibles au public car les producteurs utilisaient différentes méthodes pour les développer, comme l'évolution adaptative, exposer le champignon à des réactifs chimiques, et induire des mutations génomiques afin de sélectionner le phénotype le plus intéressant. Maintenant, cependant, grâce à des outils avancés d'édition de gènes tels que CRISPR/Cas9, nous avons réussi à établir une plate-forme compétitive avec seulement quelques modifications rationnelles en deux ans et demi."

Le bioprocédé développé par les chercheurs du CNPEM a produit 80 grammes d'enzymes par litre, le titre le plus élevé soutenu expérimentalement jusqu'à présent pour T. reesei à partir d'une matière première à base de sucre à faible coût. C'est plus du double de la concentration précédemment rapportée dans la littérature scientifique pour le champignon (37 grammes par litre).

"Un aspect intéressant de cette recherche est qu'elle n'était pas confinée au laboratoire, " a déclaré Murakami. " Nous avons testé le bioprocédé dans un environnement de production semi-industriel, l'agrandir pour en faire une usine pilote afin d'évaluer sa faisabilité économique. »

Bien que la plateforme ait été personnalisée pour la production d'éthanol cellulosique à partir de résidus de canne à sucre, il ajouta, il peut décomposer d'autres types de biomasse, et les sucres avancés peuvent être utilisés pour produire d'autres biorenouvelables tels que les plastiques et les produits chimiques intermédiaires.

Nouvelle classe d'enzymes

Le procédé est le résultat pratique (en termes d'application industrielle) d'une vaste recherche menée par le LNBR pour développer des enzymes capables de décomposer les glucides. Dans une autre étude soutenue par la FAPESP et publiée dans Nature Chimie Biologie , les chercheurs ont mis en évidence sept nouvelles classes d'enzymes présentes surtout dans les champignons et les bactéries.

Les nouvelles enzymes appartiennent à la famille des glycoside hydrolases (GH). Selon Murakami, ces enzymes ont un potentiel important pour des applications non seulement dans le domaine des biocarburants mais aussi en médecine, agro-alimentaire et textile, par exemple. Les enzymes inspireront de nouveaux procédés industriels en tirant parti des différentes façons dont la nature décompose les polysaccharides (glucides composés de nombreux sucres simples).

Ces enzymes décomposent les bêta-glucanes, certains des polysaccharides les plus abondants trouvés dans les parois cellulaires des céréales, bactéries et champignons, et une grande partie de la biomasse disponible dans le monde, indiquant l'utilisation potentielle des enzymes dans les conservateurs alimentaires et les textiles. Dans le cas des biocarburants, la propriété clé est leur capacité à digérer les matières riches en fibres végétales.

"Nous avons entrepris d'étudier la diversité de la nature dans la dégradation des polysaccharides et comment cette connaissance peut être appliquée aux processus dans différentes industries, " a déclaré Murakami. " En plus de la découverte de nouvelles enzymes, un autre aspect important de cette recherche est l'approche de réseau de similarité que nous utilisons pour produire une connaissance systématique et approfondie de cette famille d'enzymes. L'approche nous a permis de repartir de zéro et dans un délai relativement court, arriver à la famille la plus étudiée d'enzymes actives sur bêta-1, 3-glucanes à ce jour, avec des informations disponibles sur la spécificité et les mécanismes d'action.

Le critère principal de classification des enzymes est généralement la phylogénie, c'est à dire., l'histoire évolutive de la molécule, alors que les chercheurs du CNPEM se concentrent sur la fonctionnalité.

"Grâce aux avancées de la technologie de séquençage de l'ADN, nous disposons aujourd'hui de nombreuses séquences génétiques connues et d'une capacité bien établie d'étudier et de caractériser les molécules et les enzymes en fonction de leur fonctionnalité. Par conséquent, nous avons pu affiner la méthodologie du réseau de similarité et l'utiliser pour la première fois pour étudier les enzymes actives sur les polysaccharides, " dit Murakami.

En utilisant l'approche du réseau de similarité, le groupe a classé sept sous-familles d'enzymes en fonction de leur fonctionnalité. Caractériser au moins un membre de chaque sous-famille, les chercheurs ont accédé en termes systématiques à la diversité des stratégies moléculaires de dégradation des bêta-glucanes contenus dans des milliers de membres de la famille des enzymes.

Tour de force biochimique

L'analyse phylogénétique se concentre sur les régions d'ADN qui ont été conservées au fil du temps, alors que la classification par fonctionnalité est basée sur des régions non conservées associées à une différenciation fonctionnelle. « Cela nous a donné de l'efficacité et nous a permis de regrouper plus de 1, 000 séquences en seulement sept sous-groupes ou classes ayant la même fonction, " dit Murakami.

Parce que l'approche était nouvelle, les chercheurs ont effectué plusieurs autres études pour vérifier et valider la méthode de classification. Parmi les sept groupes d'enzymes capables de dégrader les polysaccharides, ils ont obtenu 24 structures entièrement nouvelles, y compris divers complexes substrat-enzyme, considérée comme cruciale pour fournir des informations permettant de comprendre les mécanismes d'action impliqués.

L'étude comprenait des analyses fonctionnelles et structurelles pour comprendre comment ces enzymes agissent sur les glucides concernés. "Les polysaccharides se présentent sous des dizaines de configurations et sont capables de plusieurs types de liaisons chimiques, " a déclaré Murakami. "Nous voulions observer exactement quelles liaisons chimiques et quelles architectures sont reconnues par chaque enzyme. Pour cette raison, il devait s'agir d'une étude multidisciplinaire, combiner des données structurelles et fonctionnelles étayées par une analyse par spectrométrie de masse, spectroscopie, expériences de mutagenèse et de diffraction pour élucider la structure atomique."

Dans la section « Actualités et opinions » du même numéro de Nature Chimie Biologie , Professeur Paul Walton, Chaire de chimie bioinorganique à l'Université de York au Royaume-Uni, a qualifié l'étude sur les glycosides hydrolases de « tour de force » biochimique » pour son approche innovante et a salué ses « excellentes connaissances », ajoutant que les chercheurs étaient "capables d'exprimer et d'isoler des exemplaires de chaque classe [d'enzymes] pour examiner si les différences de séquences entre les classes se reflétaient dans leurs structures et activités".