Dans une démarche visant à accroître la rentabilité des biocarburants et des bioproduits renouvelables, des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge ont découvert une enzyme microbienne qui dégrade les liaisons difficiles à rompre dans la lignine, un déchet des bioraffineries.

Lorsqu'il est inséré dans une bactérie modifiée par génie biologique, l'enzyme aide à convertir efficacement les composés de lignine en un composant commun des plastiques, ouvrir une voie pour transformer les déchets en un produit biochimique de valeur commerciale.

"La lignine est un polymère vraiment compliqué, " a déclaré Josh Michener, qui a dirigé les recherches de l'ORNL comme détaillé dans Ingénierie métabolique . Le polymère, qui contribue à la rigidité structurelle des plantes, se compose d'unités monomères utiles maintenues ensemble par des liaisons faibles et fortes. Avec de la lignine constituant 20 à 30 % de biomasse végétale en poids, briser les liens solides du polymère et convertir les produits chimiques qu'ils lient entre eux en produits à valeur ajoutée est nécessaire pour rendre la production de biocarburants et de produits à base de plantes économiquement viable.

Diverses communautés de bactéries et de champignons effectuent ces processus dans la nature, mais maintenir un mélange de tant de microbes différents dans un bioréacteur peut être délicat. Pour résoudre ce problème, Les scientifiques de l'ORNL au Centre d'innovation en bioénergie, ou CBI, veulent identifier les enzymes que les microbes utilisent pour dégrader des liaisons spécifiques dans la lignine et créer les gènes qui codent pour ces enzymes en un seul organisme.

Travaillant vers cet objectif, Les chercheurs de l'ORNL ont ciblé une liaison particulièrement tenace reliant deux molécules de carbone dans un dimère de lignine - une unité de deux monomères joints - appelée 1, 2-diguaiacylpropane-1, 3-diol, ou DGPD.

L'équipe a utilisé la bactérie Novosphingobium aromaticivorans, un microbe d'intérêt dans la valorisation de la lignine. Après avoir identifié et cultivé une souche mutante de N. aromaticivorans qui a efficacement dégradé la liaison souhaitée dans le DGPD, les chercheurs ont utilisé la génétique bactérienne et des techniques de perturbation des gènes pour trouver quelle enzyme était responsable.

A leur grande surprise, l'enzyme qu'ils ont identifiée - qu'ils ont nommée LsdE - avait été étiquetée comme une protéine hypothétique, ce qui signifie que sa fonction était inconnue.

"Personne n'avait vu ce genre de chimie auparavant, " Michener a déclaré. "Il n'y avait aucun exemple dans la littérature d'une seule enzyme qui pourrait faire cette transformation particulière."

La découverte a été rendue possible grâce à l'approche à l'échelle du génome de l'équipe ORNL. Les techniques de biologie reposent fréquemment sur l'homologie, une méthode d'examen des enzymes qui semblent similaires à celles dont les fonctions sont connues. Cependant, Michener a noté, "Lorsque nous recherchons une protéine hypothétique qui n'a jamais été décrite, nous ne pouvons pas le trouver par homologie."

Au lieu, l'équipe a utilisé des techniques génétiques qui leur ont permis de trouver des pistes en examinant largement le génome de N. aromaticivorans. Ils ont ensuite construit un ensemble de microbes mutants, chacun avec un seul gène perturbé. Collectivement, chaque gène non essentiel a été interrompu dans au moins un de ces mutants.

Si le microbe mutant perd sa capacité à décomposer le dimère DGPD lorsqu'un certain gène est retiré, les chercheurs ont pu déterminer que l'enzyme codée par ce gène était responsable de la dégradation, sans avoir besoin de connaître sa fonction au préalable.

"Dans ce cas, il n'y avait aucune raison pour laquelle nous examinions le LsdE et disions évidemment que cette enzyme fait cette réaction, " a déclaré Michener. " C'était l'une des parties les plus excitantes - et le fait que nous ayons des méthodes en place pour faire ce genre de découvertes. "

Dans un microbe différent, nouvelles possibilités

Après avoir identifié LsdE, l'équipe ORNL a testé pour voir s'ils pouvaient valider davantage sa fonction. Leur test a confirmé le rôle de LsdE et a révélé qu'une enzyme mieux connue, LsdA, a joué un rôle complémentaire dans la décomposition du DGPD en composés utiles.

Au Laboratoire National des Energies Renouvelables, partenaire du projet en CBI, les scientifiques ont inséré les deux enzymes dans une souche de la bactérie Pseudomonas putida qui avait déjà été conçue pour produire de l'acide muconique, un précurseur à valeur ajoutée pour les plastiques. Ils ont découvert que l'ajout des enzymes permettait à P. putida de convertir le DGPD en acide muconique avec un rendement de près de 100 %.

"Avec de nombreux produits, vous perdez du carbone en cours de route, " a déclaré Allison Werner, chercheur postdoctoral au NREL et co-auteur de l'étude. "Mais dans ce cas, nous avons un parcours très efficace."

"Au meilleur de nos capacités analytiques, chaque molécule du dimère avec lequel nous avons commencé a été convertie en deux molécules du produit, ce qui est assez phénoménal, ", a déclaré Michener.

Ce travail fait partie d'un effort plus large visant à convertir la lignine en produits à valeur ajoutée. Les recherches futures viseront à découvrir de nouvelles enzymes qui brisent d'autres liaisons difficiles et à mieux comprendre la structure chimique du LsdE.