Comment les bactéries mangeuses de déchets digèrent les carbones complexes : de nouvelles informations pourraient conduire à des plateformes basées sur des bactéries qui recyclent le plastique et les déchets végétaux

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Une bactérie environnementale commune, Comamonas testosteroni, pourrait un jour devenir le centre de recyclage du plastique de la nature. Alors que la plupart des bactéries préfèrent manger des sucres, C. testostéroneau lieu de cela, a un appétit naturel pour les déchets complexes d’origine végétale et plastique.

Dans une nouvelle étude menée par la Northwestern University, des chercheurs ont, pour la première fois, déchiffré les mécanismes métaboliques qui permettent C. testostérone pour digérer ce qui semble indigeste. Ces nouvelles informations pourraient potentiellement conduire à de nouvelles plateformes biotechnologiques qui exploitent les bactéries pour aider à recycler les déchets plastiques.

La recherche sera publiée le 6 février dans la revue Biologie chimique de la nature.

comamonas les espèces se trouvent presque partout – y compris dans les sols et les boues d’épuration. C. testostérone a d’abord attiré l’attention des chercheurs avec sa capacité naturelle à digérer les détergents à lessive synthétiques. Après une analyse plus approfondie, les scientifiques ont découvert que cette bactérie naturelle décompose également les composés du plastique et de la lignine (déchets fibreux et ligneux des plantes).

Bien que d’autres chercheurs aient travaillé sur la conception de bactéries capables de décomposer les déchets plastiques, Aristilde pense que les bactéries dotées de capacités naturelles à digérer les plastiques sont plus prometteuses pour les applications de recyclage à grande échelle.

« Les bactéries du sol fournissent une ressource inexploitée, sous-explorée et naturelle de réactions biochimiques qui pourraient être exploitées pour nous aider à gérer les déchets qui s’accumulent sur notre planète », a déclaré Ludmilla Aristilde de Northwestern. « Nous avons constaté que le métabolisme de C. testostérone est réglementée à différents niveaux, et ces niveaux sont intégrés. La puissance de la microbiologie est incroyable et pourrait jouer un rôle important dans l’établissement d’une économie circulaire. »

L’étude a été dirigée par Aristilde, professeure agrégée de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern, et titulaire d’un doctorat. étudiant Rebecca Wilkes, qui est le premier auteur du papier. L’étude comprenait des collaborateurs de l’Université de Chicago, du Laboratoire national d’Oak Ridge et de l’Université technique du Danemark.

Coups de sucre

La plupart des projets de création de bactéries impliquent Escherichia coli car c’est l’organisme modèle bactérien le plus étudié. Mais E. coli, à l’état naturel, consomme facilement diverses formes de sucre. Tant que le sucre est disponible, E. coli consommera cela – et laissera les produits chimiques en plastique derrière.

« L’ingénierie des bactéries à des fins différentes est un processus laborieux », a déclaré Aristilde. « Il est important de noter que C. testostérone ne peut pas utiliser de sucres, point final. Il a des limitations génétiques naturelles qui empêchent la concurrence avec les sucres, faisant de cette bactérie une plate-forme attrayante. »

Quoi C. testostérone veut vraiment, cependant, est une autre source de carbone. Et des matériaux tels que le plastique et la lignine contiennent des composés avec un anneau d’atomes de carbone savoureux. Alors que les chercheurs savaient que C. testostérone peut digérer ces composés, Aristilde et son équipe ont voulu savoir comment.

« Ce sont des composés de carbone avec une chimie de liaison complexe », a déclaré Aristilde. « Beaucoup de bactéries ont beaucoup de mal à les séparer. »

Combiner différentes « omiques »

Pour étudier comment C. testostérone dégrade ces formes complexes de carbone, Aristilde et son équipe ont combiné plusieurs formes d’analyses basées sur les « omiques » : transcriptomique (étude des molécules d’ARN) ; protéomique (étude des protéines) ; métabolomique (étude des métabolites) ; et la fluxomique (étude des réactions métaboliques). Les études « multi-omiques » complètes sont des entreprises massives qui nécessitent une variété de techniques différentes. Aristilde dirige l’un des rares laboratoires à mener des études aussi approfondies.

En examinant la relation entre la transcriptomique, la protéomique, la métabolomique et la fluxomique, Aristilde et son équipe ont cartographié les voies métaboliques que les bactéries utilisent pour dégrader les composés de plastique et de lignine en carbone pour la nourriture. En fin de compte, l’équipe a découvert que les bactéries décomposent d’abord l’anneau de carbones dans chaque composé. Après avoir brisé l’anneau en une structure linéaire, les bactéries continuent de le dégrader en fragments plus courts.

« Nous avons commencé avec un composé de plastique ou de lignine qui a sept ou huit carbones liés entre eux par une forme circulaire à six carbones formant le soi-disant cycle benzénique », a expliqué Aristilde. « Ensuite, ils le décomposent en chaînes plus courtes qui ont trois ou quatre carbones. Dans le processus, les bactéries alimentent ces produits décomposés dans leur métabolisme naturel, afin qu’elles puissent fabriquer des acides aminés ou de l’ADN pour les aider à se développer. »

Valoriser les déchets plastiques

Aristilde a également découvert que C. testostérone peut diriger le carbone à travers différentes voies métaboliques. Ces voies peuvent conduire à des sous-produits utiles qui peuvent être utilisés pour des polymères pertinents sur le plan industriel tels que les plastiques. Aristilde et son équipe travaillent actuellement sur un projet étudiant le métabolisme qui déclenche cette biosynthèse de polymères.

« Ces comamonas Les espèces ont le potentiel de fabriquer plusieurs polymères pertinents pour la biotechnologie », a déclaré Aristilde. « Cela pourrait conduire à de nouvelles plateformes qui génèrent du plastique, réduisant ainsi notre dépendance aux produits chimiques pétroliers. L’un des principaux objectifs de mon laboratoire est d’utiliser des ressources renouvelables, telles que la conversion des déchets en plastique et le recyclage des nutriments contenus dans les déchets. Ainsi, nous n’aurons plus besoin de continuer à extraire des produits chimiques pétroliers pour fabriquer des plastiques, par exemple. »

Aristilde est membre du Programme sur les plastiques, les écosystèmes et la santé publique de l’Institut pour la durabilité et l’énergie du Northwestern.

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