Représentation des voies de synthèse du squalène utilisées pour les transformations du peuplier. Les enzymes nécessaires à la biosynthèse du squalène, FDPS et SQS, ont été réorientées vers les plastides (à droite) ou utilisées en combinaison avec la coproduction de gouttelettes lipidiques ou l’échafaudage par fusion avec LDSP (à gauche). Ces voies utilisent les blocs de construction IDP/DMADP mis à disposition dans les plastides à partir de la voie MEP ou dans le cytosol à partir de la voie MVA. Des variantes des deux stratégies ont été tentées lors de la conception du peuplier. Crédit : Journal de biotechnologie végétale (2024). DOI: 10.1111/pbi.14345
Qu’ont en commun les peupliers, les requins et les biocarburants ? Cela peut sembler une énigme, mais une équipe dirigée par des biochimistes de l’Université d’État du Michigan a fait part de résultats passionnants concernant ces trois espèces dans la quête d’une énergie plus propre.
Publié dans le Journal de biotechnologie végétalele dernier article de l’équipe explore comment les peupliers peuvent être modifiés pour produire un produit chimique de grande valeur, généralement obtenu à partir du foie de requin.
La modification des peupliers pour produire ce produit chimique augmenterait considérablement leur viabilité économique en tant que source déjà prometteuse de biocarburants, et contribuerait également à réduire la chasse destructrice aux requins.
« Je pense que ce projet met vraiment en évidence la manière dont nous pouvons utiliser les cultures industrielles de nouvelles façons », a déclaré Jake Bibik, premier auteur de l’article et ancien doctorant dans le laboratoire du chercheur de l’État du Michigan Björn Hamberger.
« L’utilisation de cultures génétiquement modifiées non alimentaires comme le peuplier pourrait constituer une alternative plus durable pour la production de produits chimiques généralement dérivés des combustibles fossiles, voire de nouveaux produits chimiques spécialisés. »
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À eux seuls, les peupliers remplissent plusieurs conditions nécessaires pour être une matière première efficace pour la production de biocarburants.
Ils poussent rapidement sur des terres non utilisées pour l’agriculture, et leur biomasse – la matière organique où l’énergie est stockée – peut être déconstruite et fermentée pour la production de biocarburant.
L’un des plus grands défis se résume à des considérations économiques simples. « Les biocarburants ne sont toujours pas compétitifs face à la pétrochimie bon marché qui existe », a déclaré Hamberger, professeur titulaire de la bourse James K. Billman au département de biochimie et de biologie moléculaire du College of Natural Science.
Hamberger est également co-chercheur au Great Lakes Bioenergy Research Center (GLBRC), un centre de recherche sur la bioénergie dirigé par l’Université du Wisconsin-Madison.
Les scientifiques du GLBRC cherchent depuis longtemps des moyens d’extraire d’autres produits à haute valeur ajoutée de la biomasse. Des recherches ont montré que le peuplier peut être une source viable de p-aminophénol, qui est utilisé pour fabriquer des colorants, des adhésifs et d’autres polymères, ainsi que du paracétamol, l’ingrédient actif du Tylenol.
Björn Hamberger, de l’Université d’État du Michigan, est un expert des métabolites spécialisés connus sous le nom de terpènes. Ces composés sont utilisés depuis longtemps par l’humanité pour leurs propriétés médicinales, cosmétiques et aromatisantes. Crédit : Université d’État du Michigan
Lorsque Hamberger a rejoint le centre en 2015, il a suggéré de s’intéresser aux terpènes, un groupe de composés chimiques que les plantes utilisent dans des interactions environnementales uniques telles que l’attraction des pollinisateurs ou la défense contre les parasites.
« Les terpènes sont la classe de métabolites spécialisés la plus ancienne et la plus importante de la planète », a déclaré Hamberger, qui est également membre du corps professoral des programmes de sciences végétales moléculaires, de génétique et de sciences du génome et de biologie cellulaire et moléculaire de la MSU.
« Comme ils sont importants pour toutes sortes d’interactions, leur diversité a atteint un point spectaculaire où l’alchimie entre eux est tout simplement époustouflante. »
Utilisés par les humains depuis des millénaires, les terpènes possèdent des propriétés anti-inflammatoires, antimicrobiennes, anticancéreuses et antibactériennes et sont des composants clés des arômes, des cosmétiques et des parfums, pour ne citer que quelques applications.
Bibik, Hamberger et leurs collaborateurs ciblaient un terpène appelé squalène, un composé organique largement utilisé dans les produits cosmétiques et un composant crucial des vaccins.
Aujourd’hui, la majeure partie du squalène provient du foie de requin. En fait, le nom du produit chimique provient même du mot latin désignant le requin, squalus.
Au cours du projet, l’équipe a modifié des peupliers pour produire du squalène selon deux voies chimiques distinctes.
Une voie utilisait une substance gélatineuse appelée cytosol présente au centre des cellules, tandis qu’une autre cherchait à produire du squalène dans les chloroplastes, les organites responsables de la photosynthèse.
« En détournant le carbone du métabolisme régulier pour fabriquer des produits chimiques spécialisés dans des tissus et des gouttelettes uniques de peuplier, Hamberger et son équipe utilisent une stratégie hautement innovante pour transformer les arbres en usines biologiques », a déclaré le professeur Shawn Mansfield de l’Université de Colombie-Britannique, expert en transformation du peuplier et collaborateur du dernier article.
« C’est passionnant de faire partie de ce projet très novateur et avant-gardiste. »
Alors que la voie du cytosol interfère avec la formation des racines du peuplier, la voie du chloroplaste entraîne la production de 0,63 milligramme par gramme de squalène dans les feuilles.
Avec ce résultat prometteur, il était temps de procéder à ce que Hamberger appelle un « contrôle de la réalité ».
Vous cherchez à mettre à niveau
En collaboration avec Christos Maravelias, professeur de génie chimique et biologique à l’Université de Princeton, l’équipe a ensuite effectué une analyse pour déterminer le prix de vente minimum auquel leur squalène produit à partir de peuplier devrait être vendu pour atteindre le seuil de rentabilité.
Les chercheurs ont trouvé que ce chiffre était de 144 $ par kilo. Le squalène dérivé du requin coûte 40 $ par kilo.
« Si vous souhaitez vendre un produit écologique à un client, il ne peut pas seulement être écologique, il doit être abordable », a déclaré Hamberger.
« Heureusement, il existe plusieurs façons d’augmenter la valeur de l’ambre. L’une d’entre elles consiste à augmenter la production globale, l’autre nous amène au monde cool des parfums et d’un autre produit animal marin : l’ambre gris. »
Produit dans le système digestif des cachalots, l’ambre gris est utilisé dans les parfums pour prolonger les senteurs.
Selon Hamberger, il devrait être possible de « transformer » le squalène en ambréine, un autre terpène de grande valeur qui compose l’ambre gris. Les scientifiques ont déjà démontré que des bactéries peuvent être modifiées pour produire de l’ambréine, ouvrant la voie à de nouvelles recherches sur la manière dont les peupliers pourraient faire de même.
De plus, un autre collaborateur de la MSU sur l’article, Tom Sharkey, a montré que les peupliers modifiés pour produire du squalène émettent moins de gaz isoprène qui contribue indirectement à l’effet de serre.
« Jake, Björn et leurs collègues travaillent sur une méthode qui est peut-être la plus prometteuse pour fabriquer des produits chimiques et du carburant spéciaux pour les cas où seul le carburant liquide est suffisant, comme pour les avions à réaction », a déclaré Sharkey, professeur émérite de l’université au BMB. Sharkey est également affilié au laboratoire de recherche sur les plantes du département d’énergie de la MSU et au Plant Resilience Institute.
Grâce à ces résultats collectifs, les chercheurs ont innové dans la quête visant à transformer les peupliers en une source encore plus attrayante de biocarburants et de composés précieux.
Pour Bibik, qui est désormais scientifique senior au sein de la société de biotechnologie MelaTech, les découvertes de l’équipe constituent en fin de compte une nouvelle étape vers l’exploitation de la diversité biochimique de notre planète pour relever certains de ses plus grands défis.
« Je pense que ce travail contribue à établir une base solide qui est nécessaire pour pouvoir traduire l’ingénierie végétale et la recherche sur les terpénoïdes en biotechnologies significatives. »
Plus d’information:
Jacob D. Bibik et al., Peuplier modifié pour la bioproduction du triterpène squalène, Journal de biotechnologie végétale (2024). DOI: 10.1111/pbi.14345
Fourni par l’Université d’État du Michigan
Citation:Des chercheurs modifient des peupliers pour synthétiser du squalène, un produit chimique précieux, normalement récolté à partir de foies de requins (2024, 9 juillet) récupéré le 9 juillet 2024 à partir de
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