La photorespiration est un processus très énergivore chez les plantes qui conduit à la libération de CO préalablement fixé 2 . Ainsi, l'ingénierie de ce processus métabolique est une approche clé pour l'amélioration du rendement des cultures et pour relever le défi de l'augmentation constante du CO 2 niveaux dans l'atmosphère. Des chercheurs dirigés par Tobias Erb de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre à Marburg, Allemagne, ont maintenant réussi à concevoir la voie TaCo, un pontage photorespiratoire synthétique. Cette connexion métabolique nouvelle à la nature ouvre de nouvelles possibilités de CO 2 fixation et la production de composés à valeur ajoutée.

Toute vie dépend de la fixation du CO 2 à travers les plantes. Cependant, l'efficacité enzymatique de la photosynthèse naturelle est limitée, fixer une limite sur la productivité agricole et le CO 2 fixation. La photorespiration est un processus de détoxification des plantes qui recycle un sous-produit toxique de la photosynthèse, 2-phosphoglycolate. La photorespiration est très énergivore et entraîne la libération de CO préalablement fixé 2 , réduisant ainsi davantage l'équilibre photosynthétique.

Des chercheurs dirigés par Tobias Erb de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre ont développé un pontage photorespiratoire synthétique qui représente une alternative à la photorespiration naturelle. En collaboration avec le groupe d'Arren Bar-Even (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm), et dans le cadre du projet Future Agriculture, financé par l'UE, l'équipe a conçu la voie dite du tartronyl-CoA (TaCo) qui est beaucoup plus courte que la photorespiration naturelle et ne nécessite que 5 au lieu de 11 enzymes. Le plus grand avantage de la voie TaCo est peut-être qu'elle fixe le CO 2 au lieu de le relâcher, comme cela se produit dans la photorespiration naturelle. Par conséquent, la voie TaCo est plus économe en énergie que tout autre pontage photorespiratoire proposé à ce jour.

La construction de la voie TaCo a été un voyage scientifique qui a conduit les chercheurs du modèle informatique à l'ingénierie enzymatique, criblage microfluidique à haut débit, La technologie cryo-EM vers la mise en œuvre réussie in vitro d'une connexion métabolique nouvelle à la nature qui ouvre de nouvelles possibilités pour le CO 2 fixation et la production de composés à valeur ajoutée. "Le principal défi dans la réalisation de la voie TaCo était de trouver toutes les enzymes requises, " Marieke Scheffen, Chercheur postdoctoral dans le groupe de Tobias Erb et auteur principal de l'étude, rappelle. "Cela signifiait que nous devions rechercher des enzymes qui effectuent des réactions similaires, puis leur "apprendre" à effectuer la réaction souhaitée."

Enzymes plus efficaces

Pour la voie TaCo, au départ, on a trouvé une poignée d'enzymes capables de catalyser les réactions requises. Cependant, ils ont montré de faibles efficacités catalytiques, ce qui signifie qu'ils étaient assez lents par rapport aux enzymes naturelles. Les chercheurs visaient notamment à booster les performances de l'enzyme clé de la voie TaCo, glycolyl-CoA carboxylase (GCC), le catalyseur qui rend la photorespiration carbone positive.

Pour préparer le terrain à la création d'une glycolyl-CoA carboxylase (GCC) synthétique, les chercheurs ont développé un modèle moléculaire de l'enzyme. Différentes variantes de l'enzyme ont été créées sur la base d'une propionyl-CoA carboxylase naturelle, qui est généralement impliqué dans le métabolisme des acides gras, comme échafaudage en échangeant des résidus d'acides aminés. Cette stratégie de conception rationnelle a conduit à une amélioration de 50 fois de l'efficacité catalytique de l'enzyme avec le glycolyl-CoA.

Afin de pousser encore plus loin les performances de l'enzyme, les chercheurs se sont associés au groupe de Jean-Christophe Baret du Centre national de la recherche scientifique (CNRS, CRPP) Bordeaux, La France, avec qui ils ont développé un criblage microfluidique à très haut débit et criblé des milliers de variantes synthétiques. Dans les deux tours de criblages de microplaques suivants, une variante d'enzyme a été découverte qui a montré une efficacité catalytique même presque 900 fois augmentée avec le glycolyl-CoA. "Avec cette efficacité catalytique, GCC est dans la gamme des carboxylases biotine-dépendantes d'origine naturelle. Cela signifie que nous avons pu concevoir une enzyme de presque aucune activité vers le glycolyl-CoA à une activité très élevée, qui est comparable aux enzymes naturellement évoluées, ", explique Marieke Scheffen.

Microscopie électronique à haute résolution

La résolution de la structure moléculaire de ce catalyseur nouvellement développé a été réalisée dans une autre collaboration, avec Jan et Sandra Schuller du Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried (maintenant SYNMIKRO à Marburg). Les chercheurs ont appliqué la microscopie électronique cryogénique de pointe (cryo-EM) à une résolution atomique de 1,96 Å, repoussant ainsi les limites de la cryo-EM.

Finalement, l'enzyme synthétique GCC s'est avérée fonctionnelle dans des expériences in vitro en combinaison avec les deux autres enzymes de la voie TaCo, formant ainsi une voie de fixation du carbone applicable. "La voie TaCo n'est pas seulement une alternative prometteuse pour la photorespiration", déclare le chef de groupe Tobias Erb. "Nous pourrions également montrer qu'il peut être interfacé avec d'autres CO de synthèse 2 cycles de fixation, comme le cycle CETCH. Nous pourrons désormais lier efficacement le CO de synthèse 2 fixation directement au métabolisme central.

Cela ouvre un éventail de possibilités scientifiques, par exemple vers le recyclage du polyéthylène téréphtalate (PET). La voie TaCo pourrait être utilisée pour convertir l'éthylène glycol (un monomère du PET) directement en glycérate, le rendant utilisable pour la production de biomasse ou de composés à valeur ajoutée. La prochaine étape sera de faire avancer la mise en œuvre in vivo, afin d'exploiter tout le potentiel de la voie nouvellement développée.