Les grands défis mondiaux de notre temps, y compris le changement climatique, la sécurité énergétique et la rareté des ressources naturelles, promouvoir une transition de l'économie linéaire fossile à l'économie circulaire durable biosourcée. Pour franchir cette étape, il faut poursuivre le développement de technologies émergentes pour la production de carburants et de produits chimiques renouvelables.

Micro-organismes photosynthétiques, comme les cyanobactéries et les algues, montrent un grand potentiel pour satisfaire notre demande de produits chimiques renouvelables et réduire la dépendance mondiale vis-à-vis des combustibles fossiles. Ces micro-organismes ont la capacité d'utiliser l'énergie solaire pour convertir le CO 2 en biomasse et une variété de différents composés organiques riches en énergie. Les cyanobactéries sont également capables de détenir de nouvelles voies de production synthétique qui leur permettent de fonctionner comme des usines de cellules vivantes pour la production de produits chimiques et de carburants ciblés.

L'éthylène est l'un des produits chimiques organiques les plus importants avec une demande mondiale annuelle de plus de 150 millions de tonnes. C'est la pierre angulaire de la production de matières plastiques, fibres et autres matières organiques.

« Dans nos recherches, nous avons utilisé la cyanobactérie génétiquement modifiée Synechocystis sp. PCC 6803 qui exprime l'enzyme formatrice d'éthylène (EFE) acquise à partir du phytopathogène, Pseudomonas syringae. La présence d'EFE dans les cellules cyanobactériennes leur permet de produire de l'éthylène en utilisant l'énergie solaire et le CO 2 de l'air, " déclare la professeure agrégée Allahverdiyeva-Rinne.

L'éthylène a une densité énergétique élevée qui en fait une source de carburant attrayante. Actuellement, l'éthylène est produit par vapocraquage de charges d'hydrocarbures fossiles conduisant à une énorme émission de CO 2 dans l'environnement. Par conséquent, il est important de développer des approches vertes pour la synthèse de l'éthylène.

« Bien que des résultats très prometteurs aient été rapportés sur des cyanobactéries recombinantes productrices d'éthylène, l'efficacité globale des systèmes de photoproduction disponibles est encore très faible pour les applications industrielles. La productivité en éthylène des cyanobactéries artificielles est la variable la plus critique pour réduire les coûts et améliorer l'efficacité, ", explique la chercheuse postdoctorale Sindhujaa Vajravel.

Cependant, les cyanobactéries ont plusieurs limitations pour une production efficace, car ils accumulent principalement de la biomasse, pas les produits souhaités.

"Ils possèdent une antenne géante de récolte de lumière photosynthétique qui conduit à un auto-ombrage et à une distribution limitée de la lumière dans les cultures en suspension, ce qui diminue la productivité. La plus grande limitation est que la période de production des cellules est courte, seulement quelques jours, " explique Allahverdiyeva-Rinne.

Pour résoudre ces deux problèmes, les chercheurs ont piégé des cellules cyanobactériennes productrices d'éthylène dans une matrice polymère d'alginate en couche mince. Cette approche limite fortement la croissance cellulaire, engageant ainsi un flux efficace de métabolites photosynthétiques pour la biosynthèse de l'éthylène. Il améliore également l'utilisation de la lumière dans des conditions de faible luminosité et favorise fortement la remise en forme des cellules. Par conséquent, les biofilms artificiels ont permis d'obtenir une photoproduction durable d'éthylène jusqu'à 40 jours avec une efficacité de conversion de la lumière en éthylène 3,5 fois supérieure à celle des cultures en suspension conventionnelles.

Ces découvertes ouvrent de nouvelles possibilités pour le développement ultérieur d'usines de cellules photosynthétiques à l'état solide efficaces pour la production d'éthylène et l'extension du processus au niveau industriel.