En utilisant les capacités naturelles du champignon non génétiquement modifié, une équipe de recherche d'Iéna a découvert une méthode permettant de convertir efficacement la cellulose en une forme d'acide isocitrique. La nouvelle méthode de production pourrait simplifier considérablement le processus auparavant complexe et en plusieurs étapes pour obtenir des produits chimiques de plate-forme à partir de la cellulose en ne nécessitant qu'un seul bioprocédé.

Grâce à cette nouvelle méthode rentable, la molécule sœur rarement utilisée de l'acide citrique, utilisé de manière intensive, peut bénéficier à une économie circulaire durable, à condition qu'il existe un marché pour elle.

L'étude a été publiée par une équipe de recherche de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections — Institut Hans Knöll (Leibniz-HKI) dans la revue ACS Sustainable Chemistry &Engineering. .

En tant que produits métaboliques naturels de la plupart des organismes vivants, l’acide citrique et l’acide isocitrique comptent parmi les acides les plus répandus dans la nature. L'acide citrique est produit industriellement en grande quantité à l'aide du champignon Aspergillus niger. Avec une production annuelle d'environ 2,8 millions de tonnes dans le monde, il s'agit de l'un des produits biotechnologiques les plus volumineux de tous.

Son champ d'application est énorme :qu'il s'agisse d'agent détartrant, de conservateur, de produit d'entretien ou d'exhausteur de goût, ce produit chimique naturel polyvalent est un additif important et bon marché dans l'industrie, car la production biotechnologique est extrêmement efficace et simple.

La production de bioplastiques et de biocarburants à partir d’acide citrique est également techniquement possible. Cependant, comme l'acide citrique est produit à partir de sucre et est donc en concurrence directe avec la production alimentaire, ces domaines d'application n'ont jusqu'à présent été ni économiques ni durables. En fait, la production d'acide citrique consomme actuellement plus de 1 % de la production mondiale de sucre.

L'acide isocitrique est très similaire à l'acide citrique, un seul groupe hydroxyle est positionné sur un atome de carbone différent. Cela rend la molécule asymétrique et il existe deux variantes différentes, appelées diastéréomères, appelées acide thréo- et érythro-isocitrique. Chaque diastéréomère a deux variantes d'image miroir, les formes D et L.

L'acide citrique et l'acide isocitrique ont des propriétés presque identiques et on peut supposer que la forme iso serait tout aussi largement applicable. La raison pour laquelle ce n'est pas le cas est qu'il n'existe pas encore de processus de production efficace d'acide isocitrique pur, il n'est donc actuellement disponible qu'en tant que produit chimique de recherche.

Un kilogramme de cette substance coûte actuellement environ 18 000 euros. Cependant, le nouveau processus de production permet une production durable et peu coûteuse à partir de déchets et résidus végétaux tels que la paille, les vieux papiers ou les résidus de bois, ce qui pourrait permettre de produire de l'acide isocitrique encore moins cher que l'acide citrique à l'avenir.

Jusqu’à présent, un processus complexe en trois étapes était nécessaire pour utiliser de telles matières premières renouvelables. Des enzymes coûteuses étaient nécessaires pour d'abord décomposer la cellulose par voie enzymatique en sucre afin qu'elle puisse finalement être utilisée par les micro-organismes.

Un champignon, un processus

Une approche prometteuse est celle des bioprocédés consolidés (CBP), dans laquelle diverses étapes de processus sont combinées en une seule à l'aide de micro-organismes appropriés. La star du nouveau procédé biotechnologique est la moisissure Talaromyces verruculosus.

Lors de tests de dépistage, le premier auteur, Ivan Schlembach, a découvert que le type sauvage de T. verruculosus isolé de la nature peut convertir la lignocellulose directement en acide érythro-isocitrique, en masse et très efficacement, dans un seul processus dans lequel le champignon lui-même produit toutes les enzymes nécessaires à la transformation. ceci.

Au cours d'expériences, les chercheurs ont déterminé les conditions idéales pour la dégradation de la cellulose et la production d'acide isocitrique, notamment des facteurs tels que la teneur en azote, la valeur du pH, la température et la concentration en nutriments. Ils ont également développé de nouvelles méthodes pour mesurer avec précision l’activité de l’enzyme cellulase, essentielle à la dégradation de la cellulose, au cours du processus de fermentation. Cela permet un contrôle optimal du processus de production.

Miriam Rosenbaum dirige l'usine pilote biologique du Leibniz-HKI et est professeur de biotechnologie synthétique à l'université Friedrich Schiller de Jena. Elle explique :"T. verruculosus a la capacité unique de convertir la lignocellulose directement en acide érythro-isocitrique avec une efficacité remarquable.

"Il le fait à un taux comparable à la conversion du glucose, qui est utilisé en laboratoire comme matière première pour le processus de fermentation. Avec le champignon, nous avons développé un processus plus simple et moins cher."

Le produit cherche un marché

L'acide isocitrique peut être facilement transformé chimiquement en acide itaconique, pour lequel il existe déjà une forte demande pour la production de plastiques et de revêtements durables. Si l'acide érythro-isocitrique est facilement disponible, la clientèle ne devrait donc pas manquer.

Cependant, il existe le même obstacle que pour toute nouvelle substance :comme l'acide érythro-isocitrique n'est pas disponible jusqu'à présent en grandes quantités, il faut d'abord en établir le marché.

Le processus nettement moins coûteux qui a maintenant été développé ouvre de nouvelles possibilités et applications.

Une autre particularité réside dans le fait que seul de l'acide érythro-isocitrique est formé au cours du processus et non un mélange de différents diastéréomères. Cela rend la molécule particulièrement intéressante pour des applications spéciales, par exemple dans l'industrie pharmaceutique.

Dans le cas des médicaments, un seul diastéréomère est souvent efficace, il faut donc l'isoler laborieusement du mélange des deux variantes. L'acide érythro-isocitrique peut servir de composant chiral précieux pour les synthèses chimiques.

Les propriétés biologiques spécifiques de l'acide érythro-isocitrique ont été peu étudiées à ce jour. Cependant, de nombreuses propriétés utiles ont été démontrées pour la molécule sœur, l'acide thréo-isocitrique.

Ce dernier peut être un complément précieux à l'acide citrique, notamment dans les industries médicale, pharmaceutique, cosmétique ou alimentaire, par exemple, comme agent chélateur, comme anticoagulant dans les échantillons de sang, comme complément alimentaire fonctionnel, comme ingrédient dans les cosmétiques, comme conservateur ou comme composé anti-âge dans les produits de style de vie.

Les résultats soulignent que des organismes tels que T. verruculosus peuvent permettre l'utilisation durable des biodéchets et rendre économiquement viable la production de produits chimiques précieux à partir de biomasse renouvelable.

"La nature recèle un énorme potentiel pour relever les défis mondiaux en matière de durabilité. Le champignon T. verruculosus pose les bases d'une technologie verte à faible coût, et il existe également de nombreuses utilisations industrielles de l'acide isocitrique. La seule chose qui manque pour le moment est l'ouverture du marché à le nouveau processus", souligne Ivan Schlembach.

L’équipe de recherche travaille actuellement à optimiser davantage le processus et à élucider les réactions biochimiques impliquées dans la formation de l’acide isocitrique. En affinant les paramètres biochimiques, les chercheurs d'Iéna espèrent contribuer à la transition vers une bioéconomie durable et économe en ressources.

À l'avenir, ils souhaitent travailler avec des partenaires industriels intéressés pour savoir si le procédé, désormais breveté, peut également tenir sa place sur le marché.