Des chercheurs de la TU Graz et de la Ruhr University Bochum montrent dans le journal Catalyse ACS comment l'activité catalytique des cyanobactéries, également connu sous le nom d'algues bleu-vert, peut être considérablement augmenté. Cela rapproche considérablement les applications biotechnologiques et donc respectueuses de l'environnement.

Cyanobactéries, malgré la coloration vert d'eau grâce à leurs pigments spéciaux, sont familièrement appelées « algues bleu-vert, " et convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique de manière particulièrement efficace grâce à leurs cellules photosynthétiques hautement actives. Cela les rend attractives pour les applications biotechnologiques, où ils pourraient être utilisés comme biocatalyseurs écologiques et facilement disponibles pour la production de nouveaux produits chimiques à l'aide d'enzymes spécifiquement introduites.

Disponibilité limitée de la lumière

Ce qui sonne bien en théorie, se heurte encore à des obstacles dans la mise en œuvre technologique pratique à grande échelle. Un facteur limitant décisif est actuellement la disponibilité de la lumière, comme l'explique Robert Kourist de l'Institut de biotechnologie moléculaire de l'Université de technologie de Graz :« Lorsque les cyanobactéries sont densément cultivées, c'est-à-dire en fortes concentrations, seules les cellules situées à l'extérieur reçoivent suffisamment de lumière. A l'intérieur, il fait assez sombre. Cela signifie que la quantité de catalyseur ne peut pas être augmentée à volonté. Après une densité cellulaire de quelques grammes par litre, l'activité photosynthétique et donc la productivité des cellules diminue fortement. C'est bien sûr un inconvénient considérable pour la production biotechnologique à grande échelle. les biocatalyseurs déjà établis tels que les levures peuvent être utilisés avec des densités cellulaires de 50 grammes par litre et plus. Les organismes de production établis ont l'inconvénient majeur qu'ils dépendent des produits agricoles comme base de croissance et consomment ainsi de nombreuses ressources. "Les catalyseurs à base d'algues peuvent être cultivés à partir d'eau et de CO 2 , ils sont donc « verts » dans un double sens. Pour cette raison, des efforts intensifs sont en cours pour augmenter les performances catalytiques des cyanobactéries, " a déclaré Kourist.

Mieux utiliser la lumière disponible

En collaboration avec l'Université de la Ruhr à Bochum et l'Université finlandaise de Turku, le groupe de travail sur les algues de la TU Graz a maintenant réussi à augmenter précisément cette performance catalytique en redirigeant spécifiquement le flux d'électrons photosynthétiques vers la fonction catalytique souhaitée. "Pour la première fois, nous avons pu mesurer l'apport d'énergie photosynthétique directement dans les cellules de manière résolue dans le temps afin d'identifier les goulots d'étranglement dans le métabolisme, " explique Marc Nowaczyk de la chaire de biochimie végétale à l'université de la Ruhr à Bochum. " Nous avons désactivé un système dans le génome de la cyanobactérie qui est censé protéger la cellule des fluctuations de la lumière. Ce système n'est pas nécessaire dans des conditions de culture contrôlées, mais consomme de l'énergie photosynthétique. L'énergie que nous préférons mettre dans la réaction cible, " explique Hanna Büchsenschütz, doctorant à la TU Graz et premier auteur de l'étude. De cette façon, le problème de la faible productivité des cyanobactéries due aux densités cellulaires élevées peut être résolu. "Pour le dire autrement, nous ne pouvons utiliser qu'un certain nombre de cellules. C'est pourquoi nous devons faire en sorte que les cellules aillent plus vite. Nous avons développé une méthode dite d'ingénierie métabolique qui rend les cyanobactéries beaucoup plus matures pour des applications biotechnologiques, " a déclaré Kourist.

En plus d'augmenter la productivité de la cellule elle-même grâce à des interventions ciblées au niveau des gènes, les chercheurs de Graz travaillent également sur de nouveaux concepts pour le processus de culture des algues. Une approche consiste à introduire des sources lumineuses directement dans la suspension cellulaire, par exemple via des mini LED. De nouvelles géométries sont également expérimentées. Ainsi, des cyanobactéries sous forme de petites sphères encapsulées, soi-disant "perles, " peut absorber plus de lumière dans l'ensemble. Robert Kourist commente :" Il est très important de développer toutes les mesures sur la voie de l'application industrielle à grande échelle de biocatalyseurs à base d'algues de manière intégrée. Cela n'est possible qu'avec une recherche interdisciplinaire qui examine la fonction d'une enzyme de la même manière que nous examinons l'ingénierie dans la cellule photosynthétique. »