Aujourd'hui, les matières premières de pratiquement tous les produits industriels, allant des médicaments aux pneus de voiture, proviennent de matières premières chimiques non renouvelables. Ils sont produits dans des raffineries de combustibles fossiles qui émettent des gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone. Cependant, les futures usines chimiques pourraient inverser cette dynamique, en fabriquant certains composés à l'aide de plantes qui construisent naturellement des produits chimiques complexes en extrayant les molécules de dioxyde de carbone de l'air.

Tomokazu Shirai puise dans les capacités chimiques natives de la biologie, les redirigeant afin que les plantes et les microbes produisent proprement les types de produits chimiques industriels actuellement dérivés du craquage du pétrole brut. Le biologiste synthétique est scientifique principal au sein de l'équipe de recherche Cell Factory et a rejoint le RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, anciennement le RIKEN Biomass Engineering Program) en 2012. Son équipe a déjà créé les premiers microbes au monde qui prennent le glucose et le convertissent. en acide maléique ou en 1,3-butadiène. Ces précieux produits chimiques industriels sont utilisés dans une myriade de produits, notamment les polymères et les caoutchoucs.

Mais ce n'est que la première étape pour les biologistes de synthèse du CSRS. Ces microbes modifiés doivent être nourris avec des sucres pour produire les produits chimiques cibles, mais si les plantes sont utilisées comme organisme hôte, leur capacité à assimiler le dioxyde de carbone directement de l'atmosphère entraînera la production négative en carbone de nombreux produits chimiques précieux.

Conception à l'ère de l'informatique

La biologie synthétique est un domaine de recherche émergent qui combine la chimie, la biologie et l'ingénierie pour retravailler les voies métaboliques productrices de molécules des organismes cibles afin qu'ils produisent des produits chimiques précieux. Les scientifiques du CSRS ont une expertise en chimie catalytique et en biologie chimique, mais aussi de nombreux spécialistes de la science des données à grande échelle, du calcul et de la simulation, et de l'IA.

L'utilisation de l'IA représente une rupture avec les méthodes traditionnelles de biologie synthétique. Mais cette approche informatique a été la clé d'une collaboration avec le fabricant de pneus Yokohama Rubber et Zeon Corporation. La coentreprise a conçu et créé des microbes E. coli qui captent le glucose et le convertissent en 1,3-butadiène, un produit chimique de synthèse clé utilisé dans la fabrication des pneus.

La première étape de tout projet de biologie synthétique consiste à analyser les voies métaboliques de l'hôte potentiel afin d'identifier les points qui pourraient être détournés pour produire le produit chimique souhaité. Toute modification ne doit pas tuer ou altérer de manière significative la croissance de l'hôte.

Depuis 2012, Shirai développe et affine l'outil de simulation BioProV pour naviguer dans cet espace biochimique complexe. BioProV est une IA formée à la classification des voies métaboliques et aux schémas de réaction enzymatique qui analyse les voies métaboliques naturelles d'un organisme. Il propose des modifications de voie pour produire un produit chimique cible sans affecter le métabolisme global de l'hôte. Cet outil in silico permet de concevoir des voies métaboliques artificielles et d'évaluer leur faisabilité.

Son équipe a identifié qu'E. coli produit naturellement une molécule appelée acide muconique, qui pourrait être transformée en 1,3-butadiène dans deux réactions enzymatiques. Pour donner au microbe la capacité d'effectuer les deux étapes manquantes, Shirai et ses collègues ont conçu des enzymes pour la conversion chimique nécessaire en 2021.

Pour ce faire, ils ont identifié des enzymes connues qui pourraient catalyser des réactions apparentées, puis les ont modifiées pour les nouvelles réactions. La simulation informatique était nécessaire pour reconcevoir et remodeler les sites actifs des enzymes candidates pour accepter le nouveau substrat. L'équipe a conçu de manière rationnelle des enzymes dont l'activité a été multipliée par 1 000 par rapport à l'enzyme de type sauvage d'origine.

Les codes ADN de ces enzymes améliorées ont été insérés dans le génome d'E. coli et maintenant le 1,3-butadiène produit par ces microbes modifiés est facilement acheminé depuis leur bioréacteur. Les partenaires commerciaux du projet intensifient actuellement le processus pour produire les quantités en kilogrammes de 1,3-butadiène nécessaires à la fabrication et à l'évaluation des pneus fabriqués à l'aide de ce produit chimique d'origine biologique.

Les entreprises chimiques emploient de nombreux chimistes, mais peu de chercheurs en biologie, donc se connecter et collaborer avec ces entreprises pour transposer la biologie synthétique dans le monde réel est un pas énorme.

Boiserie

Une alternative durable à la production chimique traditionnelle à base de combustibles fossiles consiste à prendre des matériaux actuellement considérés comme des déchets et à les convertir chimiquement ou biologiquement en produits de valeur.

Les tiges ligneuses et les tiges des plantes qui restent après la récolte des fruits et des céréales constituent un flux de déchets à l'échelle mondiale. Le composant principal de ces parties de plantes non comestibles est la lignine, un biopolymère résistant. La lignine est le composé le plus abondant des plantes et l'un des composés les plus abondants sur Terre. Il peut provenir de déchets agricoles et constitue la source de carbone la moins chère et la plus durable avec laquelle fabriquer des carburants et des produits chimiques renouvelables. L'utiliser comme matière première pour des produits chimiques de grande valeur pourrait être très bénéfique pour la société.

La structure chimique complexe de la lignine la rend difficile à décomposer et à réassembler en de nouveaux composés. Par exemple, un traitement thermique connu sous le nom de pyrolyse rapide peut décomposer la lignine en sous-unités appelées monomères cinnamiques. Ces molécules présentent une double liaison qui pourrait potentiellement être utilisée pour recombiner les monomères en polymères fonctionnels avancés. Cependant, les chaînes latérales situées autour de la double liaison entravent la réactivité chimique, entravant les efforts de fabrication de polymères à partir de ces biodéchets.

Hideki Abe, scientifique du CSRS, a récemment mis au point une méthode pour surmonter cette limitation. Plutôt que la biologie synthétique, Abe a utilisé l'organocatalyse pour assembler les monomères cinnamiques. L'organocatalyse est une technique de chimie durable, reconnue par le prix Nobel de chimie 2021, qui utilise de petites molécules organiques comme catalyseurs à la place des catalyseurs traditionnels à base de métaux rares ou toxiques.

Les résines acryliques résultantes ont montré une résistance élevée et une résistance à la chaleur et à la dégradation chimique, suggérant un large éventail d'utilisations potentielles, y compris pour les composants de carrosserie et de moteur.

Semer la croissance future

Un autre déchet abondant est le dioxyde de carbone atmosphérique.

Pour l'équipe de recherche Cell Factory, le prochain défi majeur consiste à utiliser la biologie synthétique pour développer des plantes capables d'absorber ce dioxyde de carbone de l'atmosphère et de le transformer en produits chimiques importants pour l'industrie.

Comparés aux microbes unicellulaires, les organismes supérieurs multicellulaires tels que les plantes sont beaucoup plus complexes dans leur génome et leurs voies métaboliques. Cela les rend beaucoup plus difficiles pour les biologistes synthétiques. La réingénierie réussie des voies métaboliques des microbes a fourni une excellente formation vers l'objectif ultime d'utiliser des plantes comme hôtes. En collaborant avec des chercheurs du CSRS spécialisés en sciences végétales, l'équipe de recherche Cell Factory traduit ses travaux pionniers sur les microbes en connaissances susceptibles d'accélérer la biologie synthétique des cellules végétales, en particulier pour la production des terpénoïdes utilisés dans les médicaments et les aromatiques.

Alors que le gouvernement japonais a récemment annoncé son objectif d'être neutre en carbone d'ici 2050, les usines supérieures qui peuvent fixer le dioxyde de carbone en utilisant l'énergie du soleil sont l'idéal absolu pour la production chimique future.

Des recherches connexes ont été publiées dans Nature Communications et Matériaux naturels au cours des années. + Explorer plus loin

Des microbes conçus pour convertir le sucre en un produit chimique présent dans les pneus