Le formiate peut être envisagé au cœur d’une bioéconomie neutre en carbone, où il est produit à partir du CO2 par des moyens (électro-)chimiques et converti en produits à valeur ajoutée par des cascades enzymatiques ou des microbes modifiés. Une étape clé dans l’expansion de l’assimilation du formiate synthétique est sa réduction en formaldéhyde, un défi thermodynamique, visible ici sous la forme d’un changement de couleur jaune. Crédit : Institut Max Planck de microbiologie terrestre/Geisel
Des scientifiques de l’Institut Max Planck ont créé une voie métabolique synthétique qui convertit le dioxyde de carbone en formaldéhyde via l’acide formique, offrant ainsi une méthode neutre en carbone pour la production de matériaux précieux.
De nouvelles voies métaboliques synthétiques pour la fixation du dioxyde de carbone pourraient non seulement contribuer à réduire la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère, mais aussi remplacer les procédés chimiques conventionnels de fabrication de produits pharmaceutiques et d’ingrédients actifs par des procédés biologiques neutres en carbone. Une nouvelle étude démontre un processus qui peut transformer le dioxyde de carbone en un matériau précieux pour l’industrie biochimique par le biais de l’acide formique.
Compte tenu de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, la capture du carbone, c’est-à-dire la séquestration du dioxyde de carbone provenant de sources d’émission importantes, est une question urgente. Dans la nature, l’assimilation du dioxyde de carbone a lieu depuis des millions d’années, mais sa capacité est loin d’être suffisante pour compenser les émissions d’origine humaine.
Des chercheurs dirigés par Tobias Erb à l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre utilisent la boîte à outils de la nature pour développer de nouvelles méthodes de fixation du dioxyde de carbone. Ils ont maintenant réussi à développer une voie métabolique artificielle qui produit le formaldéhyde hautement réactif à partir de l’acide formique, un produit intermédiaire possible de la photosynthèse artificielle. Le formaldéhyde pourrait être introduit directement dans plusieurs voies métaboliques pour former d’autres substances utiles sans aucun effet toxique. Comme dans le processus naturel, deux composants primaires sont nécessaires : L’énergie et le carbone. Le premier peut être fourni non seulement par la lumière directe du soleil, mais aussi par l’électricité – par exemple à partir de modules solaires.
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L’acide formique est un élément constitutif du C1
Au sein de la chaîne de valeur ajoutée, la source de carbone est variable. Le dioxyde de carbone n’est pas la seule option, tous les monocarbones (éléments constitutifs du C1) sont concernés : le monoxyde de carbone, l’acide formique, le formaldéhyde, le méthanol et le méthane. Or, presque toutes ces substances sont hautement toxiques, que ce soit pour les organismes vivants (monoxyde de carbone, formaldéhyde, méthanol) ou pour la planète (méthane en tant que gaz à effet de serre). Seul l’acide formique, lorsqu’il est neutralisé en sa base, le formiate, est toléré par de nombreux micro-organismes à des concentrations élevées.
« L’acide formique est une source de carbone très prometteuse », souligne Maren Nattermann, premier auteur de l’étude. « Mais sa transformation en formaldéhyde dans l’éprouvette est très énergivore. En effet, le sel de l’acide formique, le formiate, ne peut pas être converti facilement en formaldéhyde. « Il y a une barrière chimique importante entre les deux molécules que nous devons franchir avec de l’énergie biochimique – l’ATP – avant de pouvoir effectuer la réaction proprement dite.
L’objectif du chercheur était de trouver une méthode plus économique. Après tout, moins il faut d’énergie pour alimenter le métabolisme en carbone, plus il reste d’énergie pour stimuler la croissance ou la production. Mais cette voie n’existe pas dans la nature. Il faut faire preuve d’une certaine créativité pour découvrir des enzymes dites « promiscuous », dotées de fonctions multiples », explique Tobias Erb. « Toutefois, la découverte d’enzymes candidates n’est qu’un début. Il s’agit de réactions que l’on peut suivre à la trace car elles sont très lentes – dans certains cas, moins d’une réaction par seconde et par enzyme. Les réactions naturelles peuvent être mille fois plus rapides ». C’est là que la biochimie de synthèse entre en jeu, explique Maren Nattermann : « Si l’on connaît la structure et le mécanisme d’une enzyme, on sait où intervenir. Ici, nous bénéficions largement des travaux préliminaires de nos collègues de la recherche fondamentale. »
La technologie à haut débit accélère l’optimisation des enzymes
L’optimisation des enzymes a comporté plusieurs approches : des blocs de construction ont été spécifiquement échangés et des mutations aléatoires ont été générées et sélectionnées en fonction de leur capacité. « Le formiate et le formaldéhyde sont tous deux parfaitement adaptés car ils pénètrent les parois cellulaires. Nous pouvons introduire du formiate dans le milieu de culture des cellules qui produisent nos enzymes et, après quelques heures, convertir le formaldéhyde produit en un colorant jaune non toxique », explique Maren Nattermann.
Ce résultat n’aurait pas été possible en si peu de temps sans l’utilisation de méthodes à haut débit. Pour ce faire, les chercheurs ont coopéré avec leur partenaire industriel Festo, basé à Esslingen, en Allemagne. « Après environ 4 000 variantes, nous avons quadruplé la production », explique Maren Nattermann. « Nous avons ainsi créé la base pour que le microbe modèle Escherichia coli, le cheval de bataille microbien de la biotechnologie, puisse se développer sur l’acide formique. Pour l’instant, cependant, nos cellules ne peuvent que produire du formaldéhyde, et non le transformer. »
Avec leur partenaire Sebastian Wenk de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes, les chercheurs développent actuellement une souche capable d’absorber les intermédiaires et de les introduire dans le métabolisme central. Parallèlement, l’équipe mène des recherches avec un groupe de travail de l’Institut Max Planck pour la conversion de l’énergie chimique, dirigé par Walter Leitner, sur la conversion électrochimique du dioxyde de carbone en acide formique. L’objectif à long terme est une « plateforme tout-en-un » – du dioxyde de carbone, via un processus électro-biochimique, à des produits tels que l’insuline ou le biodiesel.
Référence : « Engineering a new-to-nature cascade for phosphate-dependent formate to formaldehyde conversion in vitro and in vivo » par Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwan Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Fayin Zhu, Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Paczia, Nina Gaißert, Giancarlo Franciò, Walter Leitner, Ramon Gonzalez et Tobias J. Erb, 9 mai 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w