La levure modifiée pourrait étendre la portée des biocarburants

L’augmentation de la production de biocarburants tels que l’éthanol pourrait être une étape importante vers la réduction de la consommation mondiale de combustibles fossiles. Cependant, la production d’éthanol est limitée en grande partie par sa dépendance au maïs, qui n’est pas cultivé en quantités suffisantes pour couvrir une partie importante des besoins en carburant des États-Unis.

Pour essayer d’étendre l’impact potentiel des biocarburants, une équipe d’ingénieurs du MIT a maintenant trouvé un moyen d’étendre l’utilisation d’une gamme plus large de matières premières non alimentaires pour produire de tels carburants. À l’heure actuelle, les matières premières telles que la paille et les plantes ligneuses sont difficiles à utiliser pour la production de biocarburants car elles doivent d’abord être décomposées en sucres fermentescibles, un processus qui libère de nombreux sous-produits toxiques pour les levures, les microbes les plus couramment utilisés pour produire des biocarburants. .

Les chercheurs du MIT ont développé un moyen de contourner cette toxicité, rendant possible l’utilisation de ces sources, qui sont beaucoup plus abondantes, pour produire des biocarburants. Ils ont également montré que cette tolérance peut être intégrée à des souches de levure utilisées pour fabriquer d’autres produits chimiques, permettant potentiellement d’utiliser des matières végétales ligneuses “cellulosiques” comme source pour fabriquer du biodiesel ou des bioplastiques.

“Ce que nous voulons vraiment faire, c’est ouvrir les matières premières de cellulose à presque tous les produits et tirer parti de l’abondance qu’offre la cellulose”, explique Felix Lam, chercheur associé au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Gregory Stephanopoulos, professeur Willard Henry Dow en génie chimique, et Gerald Fink, professeur Margaret et Herman Sokol au Whitehead Institute of Biomedical Research et professeur de génétique de l’American Cancer Society au département de biologie du MIT, sont les auteurs principaux de l’article. , qui apparaît aujourd’hui dans Avancées scientifiques.

Augmenter la tolérance

Actuellement, environ 40 pour cent de la récolte de maïs aux États-Unis est transformé en éthanol. Le maïs est principalement une culture vivrière qui nécessite beaucoup d’eau et d’engrais, de sorte que la matière végétale connue sous le nom de biomasse cellulosique est considérée comme une source attrayante et non concurrentielle pour les carburants et les produits chimiques renouvelables. Cette biomasse, qui comprend de nombreux types de paille et des parties de la plante de maïs qui ne sont généralement pas utilisées, pourrait représenter plus d’un milliard de tonnes de matière par an, selon une étude du département américain de l’Énergie, assez pour remplacer 30 à 50 % du pétrole utilisé pour le transport.

Cependant, deux obstacles majeurs à l’utilisation de la biomasse cellulosique sont que la cellulose doit d’abord être libérée de la lignine ligneuse, et la cellulose doit ensuite être décomposée en sucres simples que la levure peut utiliser. Le prétraitement particulièrement agressif nécessaire génère des composés appelés aldéhydes, qui sont très réactifs et peuvent tuer les cellules de levure.

Pour surmonter cela, l’équipe du MIT s’est appuyée sur une technique qu’elle avait développée il y a plusieurs années pour améliorer la tolérance des cellules de levure à une large gamme d’alcools, qui sont également toxiques pour la levure en grande quantité. Dans cette étude, ils ont montré que le dopage du bioréacteur avec des composés spécifiques qui renforcent la membrane de la levure aidait la levure à survivre beaucoup plus longtemps dans des concentrations élevées d’éthanol. En utilisant cette approche, ils ont pu améliorer d’environ 80 % le rendement en éthanol-carburant traditionnel d’une souche de levure très performante.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont conçu de la levure afin de pouvoir convertir les aldéhydes sous-produits cellulosiques en alcools, leur permettant de tirer parti de la stratégie de tolérance à l’alcool qu’ils avaient déjà développée. Ils ont testé plusieurs enzymes naturelles qui effectuent cette réaction, à partir de plusieurs espèces de levure, et ont identifié celle qui fonctionnait le mieux. Ensuite, ils ont utilisé l’évolution dirigée pour l’améliorer encore.

“Cette enzyme convertit les aldéhydes en alcools, et nous avons montré que la levure peut être rendue beaucoup plus tolérante aux alcools en tant que classe qu’elle ne l’est aux aldéhydes, en utilisant les autres méthodes que nous avons développées”, explique Stephanopoulos.

Les levures ne sont généralement pas très efficaces pour produire de l’éthanol à partir de matières premières cellulosiques toxiques; Cependant, lorsque les chercheurs ont exprimé cette enzyme la plus performante et ont ajouté au réacteur des additifs renforçant la membrane, la souche a plus que triplé sa production d’éthanol cellulosique, à des niveaux correspondant à l’éthanol de maïs traditionnel.

Matières premières abondantes

Les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient obtenir des rendements élevés d’éthanol avec cinq types différents de matières premières cellulosiques, notamment le panic raide, la paille de blé et les tiges de maïs (les feuilles, les tiges et les enveloppes laissées après la récolte du maïs).

“Avec notre souche modifiée, vous pouvez essentiellement obtenir une fermentation cellulosique maximale à partir de toutes ces matières premières qui sont généralement très toxiques”, explique Lam. “Ce qui est bien, c’est que peu importe si peut-être une saison vos résidus de maïs ne sont pas si bons. Vous pouvez passer aux pailles énergétiques, ou si vous n’avez pas une grande disponibilité de pailles, vous pouvez passer à une sorte de résidus pulpeux et ligneux.”

Les chercheurs ont également conçu leur enzyme aldéhyde-éthanol dans une souche de levure qui a été conçue pour produire de l’acide lactique, un précurseur des bioplastiques. Comme elle l’a fait avec l’éthanol, cette souche a pu produire le même rendement d’acide lactique à partir de matières cellulosiques qu’à partir de maïs.

Cette démonstration suggère qu’il pourrait être possible d’intégrer une tolérance aux aldéhydes dans des souches de levure qui génèrent d’autres produits tels que le diesel. Les biodiesels pourraient potentiellement avoir un impact important sur les industries telles que le camionnage lourd, le transport maritime ou l’aviation, qui manquent d’alternative sans émission comme l’électrification et nécessitent d’énormes quantités de combustibles fossiles.

« Nous avons maintenant un module de tolérance que vous pouvez intégrer à presque tous les types de filières de production », déclare Stephanopoulos. “Notre objectif est d’étendre cette technologie à d’autres organismes mieux adaptés à la production de ces carburants lourds, comme les huiles, le diesel et le carburéacteur.”