Des microbes pourraient-ils devenir des « usines » de plastiques biodégradables ?
Le plastique est omniprésent sur Terre. On le retrouve en nous, dans les fosses océaniques les plus profondes et sur les sommets montagneux les plus élevés. Nous avons produit des milliards de tonnes de plastique et continuons à en produire de plus en plus. Pourtant, il semble impossible de s’en débarrasser. Ironiquement, la principale qualité du plastique – sa durabilité – est devenue son plus grand défaut.
Une équipe de scientifiques japonais pourrait bien être en train de changer la donne. Ils ont modifié le métabolisme d’une bactérie commune, Escherichia coli, la transformant en une micro-usine capable de produire un ingrédient clé pour des plastiques biodégradables haute performance à partir de simple sucre.
Une nouvelle étude publiée dans Metabolic Engineering détaille comment les chercheurs de l’Université de Kobe ont conçu une nouvelle voie biologique qui a produit le rendement le plus élevé jamais enregistré pour ce composé prometteur, ouvrant la voie à une réduction de la dépendance de l’industrie plastique aux combustibles fossiles.
Une meilleure recette pour un plastique plus vert
De nombreuses bouteilles en plastique sont fabriquées à partir de polyéthylène téréphtalate (PET). Le PET est un polymère, c’est-à-dire une longue chaîne d’unités moléculaires répétitives appelées monomères. L’un des monomères clés du PET est l’acide téréphtalique, un produit chimique dérivé du pétrole. Cet acide confère au plastique sa résistance et sa durabilité, mais le rend également difficilement biodégradable.
Depuis des années, les scientifiques recherchent un substitut biosourcé capable d’offrir des propriétés similaires, voire supérieures.
L’un des candidats les plus prometteurs est une molécule appelée 2,5-pyridènedicarboxylate, ou 2,5-PDCA. Comme l’acide téréphtalique, elle peut être utilisée pour synthétiser des polyesters et d’autres polymères haute résistance appelés polyimides. La différence cruciale réside dans la présence d’un atome d’azote dans sa structure cyclique.
Ce changement, apparemment mineur, a des implications importantes, pouvant conduire à des plastiques aux propriétés physiques améliorées. Cette modification chimique ouvre également la porte à une véritable biodégradabilité. Le défi consistait jusqu’à présent à produire du 2,5-PDCA de manière efficace et durable.
Les méthodes de synthèse chimique sont souvent caractérisées par de faibles rendements. C’est là que la biologie entre en jeu. Si les microbes pouvaient le produire pour nous, ce serait une avancée considérable. Bien sûr, c’est plus facile à dire qu’à faire.
La méthode ancienne et inefficace
La méthode initiale reposait sur une molécule appelée acide protocatéchuique (PCA). L’idée était d’utiliser une enzyme pour briser la structure cyclique du PCA, puis d’ajouter un atome d’azote (provenant de l’ammoniac) pour former le 2,5-PDCA souhaité.
Cependant, le problème était que la molécule intermédiaire formée après la rupture du cycle était très instable. Avant qu’elle ne puisse capturer un atome d’azote, elle se décomposait souvent, produisant de nombreux sous-produits inutiles. L’ensemble du processus était très inefficace.
L’équipe de l’Université de Kobe, dirigée par le Dr Shuhei Noda et le Dr Tsutomu Tanaka, a décidé d’explorer une voie complètement différente. Ils ont conçu une nouvelle voie qui ne part pas du PCA, mais d’une molécule apparentée appelée acide p-aminobenzoïque (PABA). Leur stratégie repose sur une enzyme clé qu’ils ont empruntée à une autre espèce bactérienne. Cela signifie que l’azote crucial fait déjà partie de la molécule avant que le cycle ne soit rompu.
Le résultat a été révolutionnaire. Le produit résultant était stable et se transformait de manière fiable en la structure 2,5-PDCA souhaitée, sans se décomposer en cours de route.
Pour prouver la supériorité de leur nouvelle recette, les chercheurs ont effectué une comparaison directe. Ils ont créé deux souches de E. coli. L’une utilisait l’ancienne voie PCA et l’autre leur nouvelle voie PABA. Ils ont nourri chaque souche avec le matériau de départ respectif et ont mesuré le résultat. Les résultats étaient sans équivoque, démontrant que la nouvelle méthode produisait de manière fiable un plastique robuste et biodégradable.
Peut-on créer des usines de plastique microbiennes ?
Disposer d’une recette chimique supérieure est un bon début. Obtenir un organisme vivant pour l’exécuter efficacement, à partir de simple glucose, est un défi encore plus complexe.
Leur première étape a consisté à transformer E. coli en un spécialiste de la production de PABA. Cela impliquait un montage génétique intelligent et méticuleux pour garantir que les microbes puissent transformer efficacement les ressources en plastique. C’était un défi majeur, avec plusieurs goulots d’étranglement, dont le plus tenace est apparu lorsque l’une des enzymes introduites a produit du peroxyde d’hydrogène (H2O2), un composé hautement réactif. Ce composé a ensuite attaqué l’enzyme qui l’a produit, l’inactivant.
« En affinant les conditions de culture, notamment en ajoutant un composé capable de décomposer le H2O2, nous avons finalement surmonté le problème, bien que cet ajout puisse poser de nouveaux défis économiques et logistiques pour la production à grande échelle », explique Tanaka Tsutomu, l’un des auteurs de l’étude de l’Université de Kobe.
Finalement, les chercheurs ont pu contrôler le processus et l’étendre. Ils ont transféré le processus de petits tubes à essai vers un bioréacteur contrôlé de 1 litre, une configuration qui permet un contrôle précis des variables telles que le pH, la température et l’oxygène dissous.
Les résultats ont été spectaculaires. En 144 heures (six jours), la culture de E. coli a augmenté de manière robuste et a produit régulièrement la molécule cible. Il s’agit de la concentration et du rendement les plus élevés de 2,5-PDCA jamais atteints par fermentation microbienne.
Une approche prometteuse
Cette percée représente une étape importante vers la production durable de plastiques biosourcés. Bien que des défis subsistent (en particulier en ce qui concerne la mise à l’échelle), ce travail établit une plateforme biologique puissante et efficace. Ce n’est pas la première fois que des chercheurs parviennent à faire produire du plastique par des microbes, mais c’est l’une des approches les plus prometteuses.
En réorganisant intelligemment la chimie naturelle d’un microbe, l’équipe de l’Université de Kobe a démontré que les éléments constitutifs des plastiques de demain ne proviendraient pas d’une raffinerie de pétrole, mais d’une cuve bouillonnante de bactéries nourries au sucre.
Référence de l’article : A. Katano et al.: Biosynthèse du 2,5-pyridènedicarboxylate à partir de glucose via l’acide p-aminobenzoïque chez Escherichia coli. Metabolic Engineering (2025). Doi: 10.1016/j.ymben.2025.08.011