Grâce à une caractéristique moins connue de la microbiologie, les chercheurs de la Michigan State University ont contribué à ouvrir une porte qui pourrait conduire à la fabrication de médicaments, de vitamines et autres à moindre coût et avec une efficacité améliorée.

L'équipe de recherche internationale, dirigée par Henning Kirst et Cheryl Kerfeld du College of Natural Science, a réorienté ce que l'on appelle les microcompartiments bactériens et les a programmés pour produire des produits chimiques précieux à partir d'ingrédients de départ peu coûteux.

L'équipe a publié ses travaux le 22 février dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Les microcompartiments, ils sont comme des nanoréacteurs ou des nano-usines", a déclaré Kirst, chercheur associé principal au laboratoire de Kerfeld, qui opère à la fois à la MSU et au Lawrence Berkeley National Laboratory.

Kirst, Kerfeld et leurs coéquipiers ont vu les microcompartiments comme une opportunité de faire passer d'importantes réactions chimiques au niveau supérieur. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont exploité la puissance des enzymes présentes dans les bactéries pour créer des produits chimiques précieux, notamment des biocarburants et des médicaments.

Dans ces applications industrielles, cependant, les chimistes comptent souvent sur l'ensemble du micro-organisme pour produire le composé souhaité, ce qui, selon Kirst, peut entraîner des complications et des inefficacités.

"L'analogie que nous utilisons est que c'est comme une maison. Si vous avez des réactions partout, cela peut devenir très complexe", a déclaré Kirst. "Imaginez que vous commenciez à prendre une douche au sous-sol, mais que vous deviez ensuite aller au deuxième étage pour prendre du shampoing, puis retourner au sous-sol pour finir de vous doucher, puis au premier étage pour prendre votre serviette. C'est juste très inefficace."

Dans le cas des micro-organismes, la bactérie peut fabriquer un ingrédient d'un côté de sa cellule, tandis que l'enzyme spécifique qui utilise cet ingrédient pour fabriquer le produit final se trouve de l'autre côté. Ensuite, même si cet ingrédient peut traverser la cellule, il y a d'autres enzymes en cours de route qui pourraient l'attraper et l'utiliser pour autre chose.

Les enzymes, cependant, vivent dans des micro-compartiments bactériens, qui sont comme des pièces à l'intérieur de la maison qu'est la cellule. Les chercheurs et leurs collègues ont montré qu'ils pouvaient concevoir des micro-compartiments pour optimiser une réaction spécifique, en réunissant les enzymes et les ingrédients nécessaires dans le même espace plus petit, plutôt que de les disperser.

"Nous mettons tout ce dont nous avons besoin pour une tâche dans la même pièce", a déclaré Kirst. "La compartimentation nous donne beaucoup plus de contrôle et améliore l'efficacité."

"C'est comme travailler dans un appartement d'efficacité par rapport au Spelling Manor", a déclaré Kerfeld, professeur émérite Hannah à MSU (le Spelling Manor est une immense propriété à Los Angeles - il compte plus de 100 chambres et plus de 50 000 pieds carrés). Kerfeld travaille également au laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE, qui est soutenu par le département américain de l'énergie.

Comme preuve de concept, l'équipe a conçu un système de microcompartiment qui pourrait transformer les composés simples et peu coûteux formiate et acétate en pyruvate.

"Le pyruvate est également un précurseur relativement simple pour pratiquement tout ce que la biologie peut fabriquer, par exemple, les produits pharmaceutiques, les vitamines et les arômes", a déclaré Kirst. "Mais nous pensons que l'ensemble du principe est très généralisable à de nombreuses autres voies métaboliques qu'il serait intéressant d'explorer."

Et ils ne sont pas les seuls à le penser.

"Le système décrit ici peut être utilisé comme plate-forme dans des projets d'ingénierie ambitieux", a écrit Volker Müller dans un commentaire sur la recherche. Müller est le chef du département de microbiologie et de bioénergétique de l'Université Goethe de Francfort et n'a pas été impliqué dans le projet.

"C'est excitant et ouvre la voie à l'utilisation de la stratégie d'ingénierie (microcompartiments bactériens) pour la production de divers composés à partir de substrats bon marché", a-t-il déclaré.

Les microcompartiments bactériens sont similaires aux organites ou minuscules "organes" trouvés dans les cellules des eucaryotes, qui comprennent les plantes, les humains et d'autres animaux. Bien qu'ils se trouvent dans de nombreux types de bactéries, où ils aident à effectuer une multitude de réactions, ils sont encore relativement nouveaux pour la science. Il a fallu l'avènement de la microscopie électronique à haute résolution et du séquençage de gènes abordable pour que les chercheurs se rendent compte de l'étendue et de la polyvalence de ces compartiments, a expliqué Kerfeld.

En collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes, les chercheurs spartiates ont renforcé cette polyvalence. Ils ont montré comment les scientifiques peuvent créer des versions de ces compartiments qui ne se trouvent pas dans la nature.

"Nous pouvons prendre l'architecture du compartiment et mettre en place un tout nouveau type de réaction", a déclaré Kerfeld. "Cette stratégie pourrait être appliquée de nombreuses manières différentes pour de nombreuses utilisations différentes, même des utilisations qui ne sont pas compatibles avec les bactéries."

"Je pense que c'est la principale réalisation", a déclaré Kirst. "Nous avons fait un grand pas vers la fabrication d'un organite bactérien synthétique." + Explorer plus loin

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