Le formiate peut être considéré comme la pierre angulaire d'une bioéconomie neutre en carbone. Produit à partir de CO₂ par des méthodes (électro)chimiques, il est ensuite transformé en produits à valeur ajoutée grâce à des cascades enzymatiques ou à des micro-organismes génétiquement modifiés. Une étape importante pour l'assimilation du formiate de synthèse réside dans sa réduction thermodynamiquement complexe du formaldéhyde, qui se manifeste ici par un changement de couleur jaune. Crédit : Institut de microbiologie terrestre Max Planck/Geisel.
Des scientifiques de l'Institut Max Planck ont ​​créé une voie métabolique synthétique qui convertit le dioxyde de carbone en formaldéhyde grâce à l'acide formique, offrant ainsi une méthode neutre en carbone pour produire des matériaux précieux.
De nouvelles voies anaboliques de fixation du dioxyde de carbone contribuent non seulement à réduire sa concentration dans l'atmosphère, mais peuvent également remplacer la production chimique traditionnelle de produits pharmaceutiques et de principes actifs par des procédés biologiques neutres en carbone. De nouvelles recherches démontrent un procédé permettant d'utiliser l'acide formique pour convertir le dioxyde de carbone en un matériau précieux pour l'industrie biochimique.
Face à l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, la séquestration du carbone, et notamment du dioxyde de carbone provenant des principales sources d'émission, est une question urgente. Dans la nature, l'assimilation du dioxyde de carbone se poursuit depuis des millions d'années, mais son efficacité est loin d'être suffisante pour compenser les émissions anthropiques.
Des chercheurs dirigés par Tobias Erb de l'Institut de microbiologie terrestre Max Planck utilisent des outils naturels pour développer de nouvelles méthodes de fixation du dioxyde de carbone. Ils sont parvenus à mettre au point une voie métabolique artificielle produisant du formaldéhyde, une molécule très réactive, à partir d'acide formique, un intermédiaire potentiel de la photosynthèse artificielle. Le formaldéhyde peut s'intégrer directement à plusieurs voies métaboliques pour former d'autres substances précieuses, sans aucun effet toxique. Comme pour un processus naturel, deux éléments essentiels sont nécessaires : l'énergie et le carbone. L'énergie peut être fournie non seulement par la lumière solaire directe, mais aussi par l'électricité, par exemple grâce à des panneaux solaires.
Dans la chaîne de valeur, les sources de carbone sont variables. Le dioxyde de carbone n'est pas la seule option ; il s'agit de tous les composés carbonés (éléments constitutifs C1) : monoxyde de carbone, acide formique, formaldéhyde, méthanol et méthane. Cependant, la quasi-totalité de ces substances sont hautement toxiques, tant pour les organismes vivants (monoxyde de carbone, formaldéhyde, méthanol) que pour la planète (méthane, gaz à effet de serre). Ce n'est qu'après neutralisation de l'acide formique en formiate, sa forme basique, que de nombreux micro-organismes tolèrent de fortes concentrations.
« L’acide formique est une source de carbone très prometteuse », souligne Maren Nattermann, première auteure de l’étude. « Mais sa conversion en formaldéhyde in vitro est très énergivore. » En effet, le formiate, sel du formiate, ne se convertit pas facilement en formaldéhyde. « Il existe une barrière chimique importante entre ces deux molécules, et avant de pouvoir réaliser une véritable réaction, il faut la franchir grâce à l’énergie biochimique – l’ATP. »
L'objectif des chercheurs était de trouver une méthode plus économique. En effet, moins l'énergie nécessaire à l'apport de carbone au métabolisme est importante, plus on peut en consacrer à la croissance ou à la production. Or, une telle méthode n'existe pas dans la nature. « La découverte d'enzymes hybrides aux fonctions multiples a nécessité une certaine créativité », explique Tobias Erb. « Cependant, la découverte d'enzymes candidates n'est qu'un point de départ. Il s'agit de réactions qui peuvent être comptabilisées car elles sont très lentes – dans certains cas, on compte moins d'une réaction par seconde et par enzyme. Les réactions naturelles peuvent se dérouler mille fois plus vite. » C'est là qu'intervient la biochimie de synthèse, explique Maren Nattermann : « Connaître la structure et le mécanisme d'une enzyme permet de savoir où intervenir. Cela s'est avéré extrêmement bénéfique. »
L'optimisation enzymatique fait appel à plusieurs approches : l'échange de blocs de construction spécifiques, la génération de mutations aléatoires et la sélection de la capacité. « Le formiate et le formaldéhyde sont tous deux très adaptés car ils peuvent pénétrer les parois cellulaires. On peut ajouter du formiate au milieu de culture cellulaire, ce qui produit une enzyme transformant le formaldéhyde formé en un colorant jaune non toxique après quelques heures », a expliqué Maren. Nattermann a donné des précisions.
Des résultats obtenus en si peu de temps n'auraient pas été possibles sans l'utilisation de méthodes à haut débit. Pour ce faire, les chercheurs ont collaboré avec leur partenaire industriel Festo, basé à Esslingen, en Allemagne. « Après environ 4 000 variations, nous avons quadruplé notre rendement », explique Maren Nattermann. « Nous avons ainsi établi les bases de la culture de la bactérie modèle Escherichia coli, véritable pilier de la biotechnologie, sur acide formique. Cependant, pour l'instant, nos cellules ne produisent que du formaldéhyde et ne peuvent pas se transformer davantage. »
En collaboration avec Sebastian Wink de l'Institut de physiologie moléculaire végétale, des chercheurs de l'Institut Max Planck développent actuellement une souche capable d'assimiler des intermédiaires métaboliques et de les intégrer au métabolisme central. Parallèlement, l'équipe mène des recherches sur la conversion électrochimique du dioxyde de carbone en acide formique avec un groupe de travail de l'Institut de conversion de l'énergie chimique de l'Institut Max Planck, sous la direction de Walter Leitner. L'objectif à long terme est de créer une plateforme universelle permettant de transformer le dioxyde de carbone produit par des procédés électrobiochimiques en produits tels que l'insuline ou le biodiesel.
Référence : Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu, « Développement d’une nouvelle cascade pour la conversion du formiate dépendant du phosphate en formaldéhyde in vitro et in vivo », Lennart Nickel, Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez et Tobias J. Erb, 9 mai 2023, Nature Communications. DOI : 10.1038/s41467-023-38072-w
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