Résolution d'un problème doux pour les biocarburants renouvelables et les produits chimiques – ScienceDaily

Que la société sache ou non la dépendance au pétrole et à l'essence dépendra d'un certain nombre de facteurs environnementaux, géopolitiques et sociétaux profonds.

Mais avec les prix actuels du pétrole autour d'environ 50 dollars le baril, ce ne sera probablement pas le plus tôt possible.

Malgré plusieurs initiatives majeures de recherche nationale, personne n'a été en mesure de proposer la technologie révolutionnaire de biocarburants renouvelables qui conduirait à une alternative moins chère à l'essence.

Ce défi de recherche a conduit les scientifiques de l'ASU, Reed Cartwright et Xuan Wang, à participer à la lutte, en association pour tenter de percer le goulot d'étranglement de l'innovation pour la bioproduction renouvelable des carburants et des produits chimiques.

«Mon laboratoire a été très intéressé par la conversion de la biomasse, comme les déchets agricoles et même le dioxyde de carbone en produits biologiques utiles et renouvelables», a déclaré Wang, professeur adjoint à l'École des sciences de la vie. «En tant que microbiologiste, je suis intéressé à manipuler les microbes comme biocatalyseurs pour faire un meilleur travail.»

Pour ce faire, ils ont examiné une nouvelle approche – exploitant le pouvoir d'épreuve et d'erreur de l'évolution pour inciter la nature à révéler la réponse.

En développant des bactéries pendant des générations dans des conditions spécialement contrôlées dans des réservoirs de fermentation, elles ont des bactéries développées par des tubes à essai pour mieux fermenter les sucres dérivés de la biomasse – une source d'énergie renouvelable potentielle potentielle pour la production de biocarburants et de produits chimiques.

Leurs résultats sont apparus récemment dans l'édition en ligne de PNAS .

L'équipe de recherche comprend l'érudit postdoctoral Christian Sievert, Lizbeth Nieves, Larry Panyon, Taylor Loeffler et Chandler Morris et a été dirigé par Reed Cartwright et Xuan Wang, en collaboration avec l'École des sciences de la vie de l'ASU et l'Institut Biodesign.

Un problème doux

L'appel des plantes est idéal. Ajoutez simplement un peu de dioxyde de carbone, d'eau et de soleil abondant, et presto! La société a une nouvelle source de carbone renouvelable à utiliser.

L'éthanol de maïs (utilisant de l'amidon à partir de maïs pour la production d'alcool principalement aux États-Unis) a été une avenue importante pour les biocarburants, et une autre alternative au canne à sucre (abondante au Brésil), mais il existe un grand inconvénient. Le fait de transformer les grains riches en sucre de maïs ou de canne à sucre en éthanol est en concurrence avec l'approvisionnement alimentaire.

Ainsi, les scientifiques au cours des dernières décennies ont migré vers des recherches sur la conversion de matières végétales non alimentaires en biocarburants et en produits chimiques. Ces biomasses dites lignocellulosiques, comme les granulés hauts et les parties non comestibles du maïs et de la canne à sucre (hachis, coquilles, bagasses, etc.) sont riches en xylose, un sucre à base de glucose à cinq atomes de carbone et riches en énergie.

La biomasse lignocellulosique a une abondance de glucose et de xylose, mais les souches E coli industrielles ne peuvent pas utiliser de xylose car lorsque le glucose est disponible, il désactive l'utilisation du xylose. Et à ce jour, il a été inefficace et coûteux de récolter complètement et de convertir le xylose en biocarburants.

Évolution du banc

Wang et Cartwright voulaient extraire plus d'énergie des sucres de xylose. Pour ce faire, ils ont contesté la bactérie E coli qui pourrait se développer confortablement sur le glucose – et changer le bouillon moyen de croissance pour se développer uniquement sur le xylose.

Les bactéries seraient forcées de s'adapter à la nouvelle alimentation ou de perdre la concurrence de croissance.

Ils ont commencé avec une seule colonie de bactéries qui étaient génétiquement identiques et ont mené trois expériences d'évolution séparées avec du xylose. Au début, les bactéries se développaient très lentement. Mais remarquable, dans plus de 150 générations, la bactérie s'est adaptée et, finalement, a appris à prospérer dans le bouillon de xylose.

Ensuite, ils ont isolé l'ADN de la bactérie et ont utilisé la technologie de séquençage d'ADN de prochaine génération pour examiner les changements dans les génomes bactériens. Quand ils ont lu les données d'ADN, ils pourraient identifier les signes révélateurs de l'évolution en action, les mutations.

La ​​nature trouve un chemin

Les bactéries, lorsqu'elles ont été mises au défi, ont mutuellement muté leur ADN jusqu'à ce qu'elles puissent s'adapter aux nouvelles conditions. Ils se sont entretenus avec les mutations les plus aptes depuis des générations jusqu'à ce qu'ils se soient fixés des mutations bénéfiques.

Et dans chaque cas, lorsqu'ils sont confrontés au xylose, la bactérie pourrait bien se développer. Leur prochaine tâche était de savoir quelles étaient ces mutations bénéfiques et comment elles fonctionnaient. Pour mieux se développer sur le xylose, les trois lignées bactériennes de E. coli ont «découvert» un ensemble différent de mutations aux mêmes gènes. Les mutations individuelles identifiées par l'équipe de recherche pourraient améliorer la fermentation du xylose en modifiant le métabolisme du sucre bactérien.

"Cela suggère qu'il existe potentiellement des solutions évolutives multiples pour le même problème, et le fond génétique d'une bactérie peut prédéterminer ses trajectoires évolutives", a déclaré Cartwright, chercheur à l'Institut Biodesign de l'ASU et professeur adjoint à l'École des sciences de la vie.

La mutation la plus intéressante s'est produite dans une protéine régulatrice appelée XylR dont la fonction normale est de contrôler l'utilisation du xylose. Juste deux interrupteurs d'acides aminés dans le XylR pourraient améliorer l'utilisation du xylose et libérer la répression du glucose, même dans les hôtes originaux non mutés.

Grâce à des astuces génétiques intelligentes, lorsque le mutant XlyR a été placé dans une souche normale "de type sauvage" ou un biocatalyseur industriel E. coli, il pourrait également croître sur le xylose et le glucose, améliorant considérablement le rendement. L'équipe de Wang a vu jusqu'à une augmentation de 50% du produit après 4 jours de fermentation.

Ensemble, l'invention de Wang et Cartwright a maintenant considérablement stimulé le potentiel de E. coli industrielle à utiliser pour la production de biocarburants à partir de matières lignocellulosiques. En outre, ils pourraient utiliser cette même approche génétique pour d'autres souches de E. coli pour différents produits.

Arizona Technology Enterprises (AzTE) dépose un brevet non provisoire pour sa découverte. Wang espère qu'ils peuvent s'associer à l'industrie pour étendre leur technologie et voir si cette invention augmentera la viabilité économique de la bioproduction.

"Avec ces nouveaux résultats, je crois que nous avons résolu un gros goulot d'étranglement persistant dans ce domaine", a conclu Wang.

Lire la suite (en anglais)

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