Fixation bicyclique du carbone :les scientifiques du NREL ont conçu une voie pour accélérer le CO2 fermentation chez certaines espèces de bactéries. La molécule résultante - l'acétyl-CoA, avec ses deux poignées de carbone uniques (C2) - peut être utilisée pour fabriquer une gamme de carburants et de produits chimiques importants. Crédit :Besiki Kazaishvili, NREL
Les boulangers fermentent la pâte pour obtenir une miche de pain bien levée. Les brasseurs fermentent le blé et l'orge pour un verre de bière onctueux et malté. Et en tant que meilleurs boulangers et brasseurs de la nature, certains microbes peuvent faire encore plus. Certaines espèces de bactéries fermentent le dioxyde de carbone (CO2 ) gazeux pour fabriquer leurs propres nutriments de choix, qui pourraient être exploités pour aider à dynamiser notre monde.
Cette remarquable capacité de fermentation du CO2 en énergie chimique - n'est pas perdu pour les chercheurs qui étudient les réactions chimiques subtiles et complexes chez les bactéries.
Parmi eux se trouve Wei Xiong, scientifique du National Renewable Energy Laboratory (NREL), qui a déclaré que les bactéries fermentant les gaz offrent des leçons sur la transformation des gaz résiduaires comme le CO2 en carburants durables.
"CO2 l'élimination et la conversion présentent un intérêt mondial en tant que CO2 est le gaz piégeant la chaleur (à effet de serre) le plus important dans l'atmosphère. Voies pour le CO2 fixation sont un point crucial », a expliqué Xiong. « Nous avons un intérêt particulier à concevoir de nouveaux CO2 voies de fixation dans les bactéries pour les aider à synthétiser les principaux précurseurs des biocarburants, par exemple l'acétyl-CoA."
L'acétyl-CoA est l'ingrédient principal de la fabrication de plusieurs carburants chimiques, notamment les acides gras, le butanol et l'isopropanol. Et comme détaillé dans un article publié dans Nature Synthesis , Xiong et ses collègues ont montré comment améliorer la production du précurseur de carburant en utilisant une nouvelle voie dans les bactéries à fermentation gazeuse.
Ce faisant, ils élargissent la possibilité d'utiliser des méthodes biologiques pour capturer et convertir le CO2 à l'échelle industrielle.
Comptabilité carbone simple :C1 + C1 =C2
Naturellement, la fermentation gazeuse des bactéries suit une série linéaire de réactions, connue des scientifiques sous le nom de voie Wood-Ljungdahl, du nom des professeurs Harland G. Wood et Lars G. Ljungdahl qui l'ont découverte dans les années 1980. En termes simples, les enzymes éliminent le CO2 de son carbone en utilisant l'énergie électrique de l'hydrogène ou du monoxyde de carbone à proximité. Ils apposent ensuite deux de ces atomes de carbone unique (C1) sur une molécule plus grosse déjà présente dans la bactérie, appelée coenzyme A (CoA). En attachant deux poignées de carbone (C2) à cette molécule auxiliaire, elles deviennent plus facilement accessibles pour d'autres réactions.
Le résultat final ? L'acétyl-CoA, une molécule plus dense en énergie et en carbone qui favorise la croissance des bactéries, et un précurseur pratique pour fabriquer des biocarburants précieux et respectueux du climat.
Malgré son intelligence, le sentier Wood-Ljungdahl à lui seul pourrait ne pas être suffisant pour un usage industriel. Et son calcul apparemment simple (C1 + C1 =C2) est la conséquence d'un nombre vertigineux de réactions chimiques.
"L'ingénierie de cette voie pour améliorer l'efficacité est un défi en raison de la complexité des enzymes", a expliqué Xiong.
Pour éviter d'améliorer directement la voie Wood-Ljungdahl, les scientifiques ont entrepris de conceptualiser une toute nouvelle voie de fabrication de l'acétyl-CoA. À l'aide d'un modèle informatique développé par NREL appelé PathParser et d'outils génétiques de pointe, l'équipe a inventé un nouveau CO2 -voie de fixation dans une espèce de bactéries à fermentation gazeuse appelée Clostridium ljungdahlii.
Au final, le calcul revient au même :C1 + C1 =C2.
Mais pour y parvenir, il intègre une paire de réactions parallèles :un vélo fixateur de carbone avec deux roues travaillant ensemble pour capturer le CO2 , transformez-le à l'aide d'une série d'engrenages chimiques et redirigez-le pour propulser la génération d'acétyl-CoA vers l'avant (illustré dans la figure ci-dessus). Si elle est ajoutée à des bactéries à fermentation gazeuse, la voie pourrait compléter la voie Wood-Ljungdahl pour produire plus efficacement de l'acétyl-CoA.
Pouvons-nous fermenter notre chemin vers la neutralité carbone ?
Il n'y a pas de pénurie de gaz résiduaires aujourd'hui et probablement dans l'avenir. Millions de tonnes de CO2 sont libérés chaque année par l'industrie lourde - un sous-produit du raffinage des biocarburants, de la fabrication de l'acier ou du mélange du béton. Les scientifiques explorent des technologies pour capturer et stocker, mieux encore en utilisant, le CO2 bien avant qu'il n'atteigne l'atmosphère.
"Dans le contexte du réchauffement climatique et du changement climatique, les scientifiques recherchent de nouvelles solutions issues du métabolisme microbien pour convertir le CO2 aux carburants et aux produits chimiques », a déclaré Xiong. « Les bactéries qui fermentent les gaz fixent en fait le CO2 et représentent une manière négative en carbone de répondre à nos demandes énergétiques et environnementales."
De qui de mieux s'inspirer que des bactéries à fermentation gazeuse qui ont fixé le CO2 avec aisance pendant des millions d'années ? Une voie métabolique récemment découverte utilise des gaz à un seul carbone comme matière première
