Des chercheurs de la Tufts University School of Engineering rapportent avoir fabriqué de la levure modifiée qui peut se nourrir d’un plus large éventail de matériaux, dont beaucoup peuvent être dérivés de sous-produits agricoles que nous n’utilisons pas – feuilles, enveloppes, tiges, même copeaux de bois – – ce que l’on appelle souvent la « biomasse résiduelle ».

Pourquoi est-il important de fabriquer des levures capables de se nourrir de ces restes agricoles ?

Ces dernières années, les scientifiques ont modifié la levure pour fabriquer d’autres produits utiles comme les produits pharmaceutiques et les biocarburants. C’est une façon astucieuse de laisser la nature faire notre travail sans nécessiter de produits chimiques toxiques pour la fabrication. La technologie – appelée « biologie synthétique » – est encore jeune, mais dans la perspective d’un avenir où la production biosynthétique à partir de levure fonctionnerait à très grande échelle, nous devons nourrir la levure avec autre chose que ce dont nous avons nous-mêmes besoin pour manger.

Beaucoup à mâcher – levure d’ingénierie pour se développer sur les sucres de la biomasse

La nouvelle levure fabriquée par l’équipe de Tufts peut se nourrir de sucres comme le xylose, l’arabinose et le cellobiose qui peuvent être extraits des parties ligneuses indigestes des cultures qui sont souvent jetées après la récolte, comme les tiges, les cosses et les feuilles de maïs et les tiges de blé. Environ 1,3 milliard de tonnes de ces déchets de biomasse sont produits chaque année, fournissant plus qu’assez de sucres pour alimenter une vaste industrie de la biosynthèse des levures.

« Si nous pouvons faire en sorte que la levure se nourrisse de la biomasse des déchets, nous pouvons créer une industrie biosynthétique à faible empreinte carbone », a déclaré Nikhil Nair, professeur agrégé de génie chimique et biologique à la Tufts School of Engineering. « Par exemple, lorsque nous brûlons des biocarburants fabriqués à partir de levure, nous produisons beaucoup de dioxyde de carbone, mais ce dioxyde de carbone est réabsorbé dans les cultures l’année suivante, dont la levure se nourrit pour fabriquer plus de biocarburant, etc. « 

Ingénierie minimale pour un rendement maximal

Nair et son équipe pensaient que la meilleure chance de consommer efficacement les sucres de la biomasse résiduelle pourrait être de modifier un « tableau de bord » génétique existant que la levure utilise pour réguler la consommation de galactose (un sucre que l’on trouve couramment dans les produits laitiers). Le tableau de bord, appelé régulon, comprend des gènes pour des capteurs qui détectent la présence de sucre et déclenchent des enzymes pour la décomposition chimique du sucre afin que ses composants de carbone et d’oxygène puissent être reconstruits en de nouveaux composants. Les nouveaux composants sont principalement de petites molécules et des protéines dont la levure elle-même a besoin pour survivre, mais il peut également s’agir de nouveaux produits que les scientifiques pourraient avoir intégrés à la levure.

Dans une étude antérieure, les chercheurs ont modifié le régulon du galactose afin que le capteur détecte le xylose, un sucre de la biomasse, et déclenche des enzymes pour traiter le xylose au lieu du galactose.

« Faire pousser de la levure sur du xylose était une avancée importante », a déclaré Sean Sullivan, un étudiant diplômé du laboratoire Nair qui a codirigé l’étude récente, « mais réorganiser différents organismes de levure pour qu’ils se développent sur chaque sucre de biomasse n’est pas le meilleur. approche. Nous voulions concevoir un organisme de levure unique qui peut se nourrir d’un menu complet ou presque complet de sucres issus de la biomasse.

Sullivan n’a apporté que des modifications minimes au régulon déjà conçu pour le xylose, en modifiant la protéine du capteur pour accepter plus généralement le xylose, l’arabinose et le cellobiose. Hormis quelques modifications mineures supplémentaires, le nouveau régulon a permis à l’organisme de la levure de se développer sur ces trois sucres à des taux comparables à ceux de la levure cultivée sur les sucres natifs glucose et galactose.

« En utilisant des réseaux de régulation natifs liés à la croissance et à la survie des cellules, nous pourrions adopter une approche d’ingénierie minimale pour modifier et optimiser la consommation de sucre », a déclaré Vikas Trivedi, chercheur postdoctoral qui a co-dirigé l’étude. « Il se trouve que la levure a la machinerie pour se développer sur des sucres non natifs, tant que nous adaptons des capteurs et des régulons pour reconnaître ces sucres. »

Améliorer l’arrière-plan de la production

Le remodelage de la levure pour qu’elle se développe sur les sucres de la biomasse des déchets ouvre la voie à une production améliorée de produits biosynthétisés, qui comprennent des médicaments tels que l’insuline, l’hormone de croissance humaine et les anticorps. La levure a également été conçue pour produire des vaccins en exprimant de petits fragments de virus qui stimulent le système immunitaire.

En fait, la levure peut être remaniée pour produire des composés naturels utilisés pour fabriquer des médicaments, qui sont autrement difficiles à trouver car ils doivent être extraits de plantes rares. Ceux-ci comprennent la scopolamine utilisée pour soulager le mal des transports et les nausées postopératoires, et l’atropine utilisée pour traiter les patients atteints de la maladie de Parkinson, et l’artémensine, utilisée pour traiter le paludisme.

L’éthanol est un biocarburant bien connu produit par la levure, mais les chercheurs ont également conçu l’organisme pour produire d’autres carburants tels que l’isobutanol et l’isopentanol, qui peuvent fournir plus d’énergie par litre que l’éthanol.

La levure issue de la bio-ingénierie peut également produire des blocs de construction de bioplastiques, tels que l’acide polylactique, qui peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer une variété de produits, y compris des matériaux d’emballage et des biens de consommation, sans avoir à puiser dans des sources pétrolières.

« Alors que la communauté de recherche continue d’innover la levure pour fabriquer de nouveaux produits, nous préparons l’organisme à se développer efficacement sur la biomasse des déchets agricoles, fermant un cycle du carbone qui a jusqu’à présent échappé à la fabrication de carburants, de produits pharmaceutiques et de plastiques », a déclaré Nair.