01 Juin Se nourrir d’air, fabriquer de l’essence
Des chercheurs de l’Institut Weizmann ont conçu des bactéries capables de créer du sucre à partir de gaz à effet de serre tel que le dioxyde de carbone.
Toute vie sur la planète dépend, d’une manière ou d’une autre, d’un processus appelé ‘fixation du carbone’ : il s’agit de la capacité des plantes, des algues et de certaines bactéries, d’extraire le dioxyde de carbone (CO2) de l’environnement, et avec l’aide d’énergie, solaire ou autre, de produire des sucres qui sont les points de départ indispensables aux processus de la vie. Au sommet de la chaîne alimentaire se trouvent différents organismes (dont certains croient, par erreur, qu’ils sont ‘plus avancés’) qui utilisent les moyens opposés de survie: ils consomment des sucres (produits par des plantes photosynthétiques et des microorganismes) et libèrent ensuite du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Ce type de croissance est appelé hétérotrophie. L’homme est, bien entendu, hétérotrophe dans le sens biologique du mot, du fait que la nourriture qu’il consomme provient du processus de fixation du carbone effectué par d’autres êtres vivants. Est-il possible de ‘reprogrammer’ un organisme qui se trouve plus haut dans la chaîne alimentaire, qui absorbe du sucre et libère du dioxyde de carbone, afin de le faire consommer du dioxyde de carbone provenant de l’environnement pour produire les sucres dont il a besoin pour construire sa masse corporelle ? C’est exactement ce qu’un groupe de chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences a fait récemment. Le docteur Niv Antonovsky, qui mène cette recherche dans le laboratoire du professeur Ron Milo, dans le département des Sciences du végétal et de l’environnement, explique que la capacité d’améliorer la fixation du carbone est essentielle pour que l’homme soit capable d’affronter de nouveaux défis, comme par exemple la nécessité de fournir de la nourriture à une population grandissante dans un monde dont les ressources diminuent, tout en utilisant moins de combustible fossile.
Les chercheurs de l’Institut Weizmann ont répondu à ce défi en introduisant le mécanisme métabolique de fixation du carbone et de production du sucre (ce qu’on appelle le cycle de Calvin) dans la bactérie E. coli, organisme ‘consommateur’ connu, qui se nourrit de sucre et libère du dioxyde de carbone. La voie métabolique pour la fixation du carbone est bien connue, et le professeur Milo et son groupe ont eu l’idée qu’avec une bonne stratégie ils pourraient réussir à introduire les gènes contenant l’information pour la construction de cette voie dans le génome de la bactérie. Or l’enzyme essentielle utilisée dans les plantes pour fixer le carbone, RuBisCO, utilise comme substrat pour la réaction de fixation du CO2 un métabolite qui est toxique pour les cellules bactériennes. Il fallait donc que la stratégie comprenne la capacité de réguler avec précision les niveaux d’expression des différents gènes tout au long de ce long trajet à étapes. Dans une certaine mesure, le programme bien réfléchi de ce groupe a été un grand succès : les bactéries ont effectivement produit les enzymes de fixation du carbone, de manière fonctionnelle. Mais l’ensemble du processus n’a pas produit l’effet espéré. En effet, bien que le mécanisme de fixation du carbone ait été exprimé, la bactérie n’a pas réussi à utiliser le CO2 ainsi produit pour la synthèse du sucre, et au lieu de cela, elle a dû puiser à l’extérieur un supplément de sucre. Le docteur Antonovsky a expliqué : « Naturellement, nous avons travaillé avec un organisme qui a évolué pendant des millions d’années afin de consommer du sucre, et non pas du CO2. Alors nous nous sommes tournés vers l’évolution pour nous aider à mettre au point le système que nous avions en vue. »
Le docteur Antonovsky, le professeur Milo et les autres membres du groupe, parmi lesquels Shmuel Gleizer, Arren Bar-Even, Yehudit Zohar, Elad Herz, ont alors mis au point des réservoirs, les chemostats, dans lesquels ils cultivent les bactéries, les poussant graduellement à développer de l’appétit pour le CO2. Au départ, avec de grosses bulles de CO2, les bactéries se trouvant dans les réservoirs recevaient une grande quantité de pyruvate, qui est une source d’énergie, ainsi qu’une quantité de sucre minimale nécessaire à leur survie. En changeant les conditions de leur environnement, et en les stressant, les chercheurs ont obligé les bactéries à apprendre, en s’adaptant et en se développant, à utiliser les matériaux se trouvant en abondance dans leur environnement. Au bout d’un mois, les choses étaient restées assez statiques. Les bactéries semblaient ne pas avoir compris ce qu’on voulait d’elles. Mais au bout d’un mois et demi, quelques bactéries ont montré qu’elles commençaient à faire plus que juste ‘survivre’. Au troisième mois, les chercheurs ont réussi à sevrer de sucre les bactéries qui avaient évolué et à les faire pousser avec du CO2 et du pyruvate uniquement. Les traceurs isotopiques de molécules de dioxyde de carbone révèlent que les bactéries ont effectivement utilisé le CO2 pour créer une quantité notable de leur masse corporelle, y compris tous les sucres nécessaires pour construire la cellule.
Lorsque les chercheurs ont séquencé les génomes des bactéries ainsi évoluées, ils ont trouvé beaucoup de changements disséminés ici et là le long du chromosome bactérien. Comme l’explique le professeur Milo : « Ils étaient tout à fait différents de ce que nous avions prévu : il a fallu deux ans de travail difficile pour comprendre quels gènes étaient essentiels, et pour dénouer la ‘logique’ impliquée dans leur évolution. » La répétition de cette expérience (et de nouveau une attente qui a duré des mois) a donné aux chercheurs des indications essentielles pour identifier les mutations nécessaires pour que le régime d’E. coli, auparavant basé sur le sucre, utilise dorénavant le dioxyde de carbone. Le professeur Milo dit : « La capacité de programmer ou de réorganiser la bactérie E. coli pour fixer le carbone pourrait donner aux chercheurs de nouveaux outils pour étudier ce processus de base. » Bien qu’à présent les bactéries renvoient le CO2 dans l’atmosphère, le groupe a pris en considération la possibilité qu’à l’avenir leur démarche soit appliquée à la création de microorganismes qui seront capables de fixer le carbone de manière efficace par absorption du CO2 atmosphérique et le transformeront en énergie emmagasinée, le but ultime étant d’obtenir de meilleurs rendements pour nourrir l’humanité.
La recherche du professeur Ron Milo est financée par : Mary and Tom Beck-Canadian Center for Alternative Energy Research ; Lerner Family Plant Science Research Endowment Fund ; Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust ; Dana and Yossie Hollander (Israël) ; Larson Charitable Foundation ; Wolfson Family Charitable Trust. Le professeur Milo est titulaire de la Charles and Louise Gartner Professorial Chair.
