Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
Cette étude démontre que la combinaison de l'ingénierie inverse des gènes *ptsG* et *rbsR* avec la surexpression rationnelle des opérons du métabolisme du xylose chez la bactérie thermophile *Parageobacillus thermoglucosidasius* permet de surmonter efficacement la répression catabolique par le carbone, permettant une co-utilisation efficace du glucose et du xylose et augmentant significativement les rendements en lactate lors de fermentations en bioréacteur.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez un monde où le carburant de nos usines ne proviendrait pas de cultures alimentaires comme le maïs ou la canne à sucre, mais des déchets fibreux et robustes des plantes : les tiges de blé, les balles de riz et les copeaux de bois issus de l'exploitation forestière. Ce matériau, connu sous le nom de lignocellulose, est abondant et n'entre pas en compétition avec notre approvisionnement alimentaire, ce qui en fait une ressource idéale pour la création de plastiques et de produits chimiques durables. Cependant, transformer cette matière végétale coriace en produits utiles est difficile. Lorsque les scientifiques décomposent ces fibres, ils libèrent un mélange de deux sucres principaux : le glucose et le xylose. Si de nombreux microbes peuvent consommer facilement le glucose, ils ignorent souvent le xylose, attendant que le glucose soit épuisé avant même de commencer à s'attaquer au second sucre. Ce jeu d'attente ralentit la production et gaspille du temps. Pour résoudre ce problème, les chercheurs recherchent des microbes capables de consommer les deux sucres simultanément, en particulier ceux qui s'épanouissent dans des environnements chauds, là où la décomposition des fibres végétales est la plus efficace.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission d'améliorer par ingénierie une bactérie aimant la chaleur, nommée Parageobacillus thermoglucosidasius, afin de surmonter cette préférence alimentaire. Ce microbe est déjà un candidat solide pour une utilisation industrielle car il se développe de manière optimale à des températures comprises entre 60 et 65 degrés Celsius, ce qui correspond à la chaleur nécessaire pour décomposer les fibres végétales. Les scientifiques voulaient reprogrammer ses instructions internes pour qu'il consomme le glucose et le xylose ensemble, plutôt que l'un après l'autre. Ils ont commencé par étudier une expérience précédente où les bactéries avaient naturellement évolué pour consommer les deux sucres lorsqu'elles y étaient forcées. En étudiant les changements génétiques de ces bactéries évoluées, l'équipe a identifié deux mutations spécifiques qui semblaient être responsables de ce nouveau comportement. Une mutation modifiait une protéine qui aide la cellule à saisir le glucose, et l'autre supprimait un « frein » génétique qui empêche normalement la cellule de fabriquer des transporteurs pour d'autres sucres.
Les chercheurs ont ensuite intégré ces changements exacts dans une version standard de la bactérie pour voir s'ils pouvaient recréer le comportement amélioré. Ils ont créé trois nouvelles souches : une avec la protéine de capture du glucose modifiée, une avec le frein supprimé, et une combinant les deux changements. Ils ont également testé une approche différente, en forçant les bactéries à produire constamment la machinerie nécessaire pour consommer le xylose, quelle que soit la présence d'autres sucres. Lorsqu'ils ont testé ces nouvelles souches dans des environnements contrôlés, les résultats ont montré que les changements génétiques fonctionnaient, mais de manières différentes. La souche avec la protéine de glucose modifiée consommait les deux sucres à une vitesse similaire. La souche avec le frein supprimé consommait également les deux sucres ensemble, bien qu'elle se développât plus lentement de manière générale. La souche combinant les deux changements a eu un comportement surprenant, préférant en fait le xylose au glucose, un renversement complet de l'ordre habituel.
Pour comprendre pourquoi ces changements se sont produits, l'équipe a observé l'intérieur des cellules pour voir quelles protéines étaient produites. Ils ont découvert que les mutations avaient poussé les bactéries à cesser de supprimer les gènes de consommation du xylose, permettant ainsi à la cellule de produire les outils nécessaires pour le consommer même en présence de glucose. La souche avec le frein supprimé présentait une baisse significative des protéines responsables de la capture du glucose, ce qui a probablement ralenti la consommation de ce sucre pour permettre au xyose d'être consommé en même temps. Les chercheurs ont également testé la capacité de ces bactéries à produire de l'acide lactique, un produit chimique utilisé pour fabriquer des plastiques biodégradables, à partir d'un mélange de ces deux sucres. Les souches modifiées ont obtenu de meilleurs résultats que les bactéries originales non modifiées. La souche avec le frein supprimé a produit la plus grande quantité d'acide lactique par rapport au sucre consommé, atteignant un rendement de 72,76 %, contre 56,76 % pour la souche originale. Une autre souche, dont la machinerie de consommation du xylose était produite en permanence, a également montré de bons résultats, avec un rendement de 63 %.
L'étude suggère que, bien que le simple fait de forcer les bactéries à produire davantage d'outils de consommation du xylose ait aidé, la méthode la plus efficace pour les faire consommer les deux sucres ensemble était de modifier la façon dont elles perçoivent et consomment le glucose. En ralentissant l'apport du sucre préféré, les bactéries ont pu accéder au second sucre beaucoup plus tôt. Cette approche a permis à l'équipe de créer une usine microbienne fonctionnant plus efficacement sur les déchets végétaux. Les conclusions indiquent qu'en apportant des changements mineurs et spécifiques au code génétique des bactéries, il est possible de libérer tout le potentiel des matières premières végétales, transformant un mélange complexe de sucres en produits de valeur sans les longs délais causés par les habitudes alimentaires naturelles des bactéries. Ces travaux offrent une voie claire pour améliorer notre utilisation des ressources renouvelables afin de construire les matériaux du futur.
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