L'augmentation de la production de biocarburants tels que l'éthanol pourrait être une étape importante vers la réduction de la consommation mondiale de combustibles fossiles. Cependant, la production d'éthanol est limitée en grande partie par sa dépendance au maïs, qui n'est pas cultivé en quantités suffisantes pour couvrir une partie importante des besoins en carburant des États-Unis.

Pour essayer d'étendre l'impact potentiel des biocarburants, une équipe d'ingénieurs du MIT a maintenant trouvé un moyen d'étendre l'utilisation d'une gamme plus large de matières premières non alimentaires pour produire de tels carburants. À l'heure actuelle, les matières premières telles que la paille et les plantes ligneuses sont difficiles à utiliser pour la production de biocarburants car elles doivent d'abord être décomposées en sucres fermentescibles, un processus qui libère de nombreux sous-produits toxiques pour la levure, les microbes les plus couramment utilisés pour produire des biocarburants.

Les chercheurs du MIT ont développé un moyen de contourner cette toxicité, rendre possible l'utilisation de ces sources, qui sont beaucoup plus nombreux, pour produire des biocarburants. Ils ont également montré que cette tolérance peut être modifiée dans des souches de levure utilisées pour fabriquer d'autres produits chimiques, permettant potentiellement d'utiliser une matière végétale ligneuse « cellulosique » comme source pour fabriquer du biodiesel ou des bioplastiques.

"Ce que nous voulons vraiment faire, c'est ouvrir les matières premières cellulosiques à presque tous les produits et tirer parti de l'abondance pure qu'offre la cellulose, " dit Félix Lam, un associé de recherche du MIT et l'auteur principal de la nouvelle étude.

Grégory Stéphanopoulos, le professeur Willard Henry Dow en génie chimique, et Gerald Fink, le professeur Margaret et Herman Sokol au Whitehead Institute of Biomedical Research et le professeur de génétique de l'American Cancer Society au département de biologie du MIT, sont les auteurs principaux de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

Augmenter la tolérance

Actuellement, environ 40 pour cent de la récolte de maïs aux États-Unis est transformé en éthanol. Le maïs est avant tout une culture vivrière qui nécessite beaucoup d'eau et d'engrais, ainsi la matière végétale connue sous le nom de biomasse cellulosique est considérée comme un produit attrayant, source non concurrente de carburants et de produits chimiques renouvelables. Cette biomasse, qui comprend de nombreux types de paille, et les parties de la plante de maïs qui ne sont généralement pas utilisées, pourrait représenter plus de 1 milliard de tonnes de matière par an, selon une étude du département américain de l'Énergie, suffisamment pour remplacer 30 à 50 pour cent du pétrole utilisé pour le transport.

Cependant, deux obstacles majeurs à l'utilisation de la biomasse cellulosique sont que la cellulose doit d'abord être libérée de la lignine ligneuse, et la cellulose doit ensuite être décomposée en sucres simples que la levure peut utiliser. Le prétraitement particulièrement agressif nécessaire génère des composés appelés aldéhydes, qui sont très réactifs et peuvent tuer les cellules de levure.

Pour surmonter cela, l'équipe du MIT s'est appuyée sur une technique qu'elle avait développée il y a plusieurs années pour améliorer la tolérance des cellules de levure à une large gamme d'alcools, qui sont également toxiques pour la levure en grande quantité. Dans cette étude, ils ont montré que le dopage du bioréacteur avec des composés spécifiques qui renforcent la membrane de la levure aidait la levure à survivre beaucoup plus longtemps dans des concentrations élevées d'éthanol. En utilisant cette approche, ils ont réussi à améliorer d'environ 80 % le rendement traditionnel en éthanol-carburant d'une souche de levure très performante.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont conçu de la levure afin de pouvoir convertir les aldéhydes sous-produits cellulosiques en alcools, leur permettant de profiter de la stratégie de tolérance à l'alcool qu'ils avaient déjà développée. Ils ont testé plusieurs enzymes naturelles qui effectuent cette réaction, de plusieurs espèces de levures, et identifié celui qui fonctionnait le mieux. Puis, ils ont utilisé l'évolution dirigée pour l'améliorer davantage.

"Cette enzyme convertit les aldéhydes en alcools, et nous avons montré que la levure peut être rendue beaucoup plus tolérante aux alcools en tant que classe qu'elle ne l'est aux aldéhydes, en utilisant les autres méthodes que nous avons développées, ", dit Stéphanopoulos.

Les levures ne sont généralement pas très efficaces pour produire de l'éthanol à partir de matières premières cellulosiques toxiques; cependant, lorsque les chercheurs ont exprimé cette enzyme la plus performante et ont enrichi le réacteur d'additifs renforçant la membrane, la souche a plus que triplé sa production d'éthanol cellulosique, à des niveaux correspondant à l'éthanol de maïs traditionnel.

Matières premières abondantes

Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient obtenir des rendements élevés d'éthanol avec cinq types différents de matières premières cellulosiques, y compris le panic raide, la paille de blé, et tige de maïs (les feuilles, tiges, et les cosses laissées après la récolte du maïs).

"Avec notre souche conçue, vous pouvez essentiellement obtenir une fermentation cellulosique maximale à partir de toutes ces matières premières qui sont généralement très toxiques, " Lam dit. " La grande chose à ce sujet est que cela n'a pas d'importance si peut-être une saison vos résidus de maïs ne sont pas si bons. Vous pouvez passer aux pailles énergétiques, ou si vous n'avez pas une grande disponibilité de pailles, vous pouvez passer à une sorte de pulpy, résidu ligneux."

Les chercheurs ont également conçu leur enzyme aldéhyde-éthanol dans une souche de levure qui a été conçue pour produire de l'acide lactique, précurseur des bioplastiques. Comme pour l'éthanol, cette souche était capable de produire le même rendement d'acide lactique à partir de matières cellulosiques qu'à partir de maïs.

Cette démonstration suggère qu'il pourrait être possible d'intégrer une tolérance aux aldéhydes dans des souches de levure qui génèrent d'autres produits tels que le diesel. Les biodiesels pourraient potentiellement avoir un impact important sur des industries telles que le camionnage lourd, expédition, ou aéronautique, qui n'ont pas d'alternative sans émission comme l'électrification et nécessitent d'énormes quantités de combustibles fossiles.

« Maintenant, nous avons un module de tolérance que vous pouvez intégrer à presque toutes les filières de production, ", précise Stephanopoulos. "Notre objectif est d'étendre cette technologie à d'autres organismes mieux adaptés à la production de ces fiouls lourds, comme les huiles, diesel, et du carburéacteur."