Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production
Cette étude a utilisé la mutagenèse par le méthanesulfonate d'éthyle (EMS) pour sélectionner une souche mutante de *Stichococcus* sp. (EMS1) présentant une teneur en chlorophylle significativement réduite, laquelle a par la suite démontré une production accrue de biomasse, de lipides et de glucides par rapport au type sauvage, répondant ainsi aux limitations de pénétration de la lumière dans les photobioréacteurs à grande échelle.
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La lumière du soleil est le moteur qui propulse la vie dans l'océan, mais pour les minuscules plantes unicellulaires connues sous le nom de microalgues, trop de bonnes choses peut devenir un problème. Ces organismes microscopiques dépendent d'un pigment vert appelé chlorophylle pour capturer l'énergie lumineuse et la convertir en nourriture et en croissance. Cependant, lorsque ces cellules se développent de manière trop dense dans un grand réservoir, leur haute concentration de pigment vert crée une barrière. Les cellules à l'extérieur absorbent presque toute la lumière, projetant une ombre profonde qui affame les cellules du milieu. Ce phénomène, souvent appelé « effet d'ombre », limite la quantité de biomasse que l'ensemble de la culture peut produire, rendant difficile la culture efficace de ces organismes à grande échelle pour le carburant ou d'autres produits.
Les scientifiques cherchent depuis longtemps des moyens de contourner cette limitation en trouvant ou en créant des souches de microalgues qui n'ont pas besoin d'autant de chlorophylle pour survivre. Si une souche pouvait croître avec moins de pigment vert, cela permettrait à la lumière de pénétrer plus profondément dans la culture, permettant à plus de cellules de croître simultanément et augmentant la récolte totale. Une équipe de chercheurs de l'Université technique de Crète, en Grèce, a récemment relevé ce défi en travaillant avec un type spécifique de microalgue en forme de bâtonnet appelé Stichococcus. Ils visaient à créer une version de cet organisme qui produit naturellement moins de chlorophylle mais qui croît plus rapidement et produit des substances plus précieuses, telles que des huiles et des sucres, que ses homologues sauvages.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé une technique appelée mutagenèse chimique. Ils ont exposé une culture de la microalgue sauvage Stichococcus à une substance chimique connue sous le nom de méthanesulfonate d'éthyle, qui agit comme un randomiseur pour le code génétique de l'organisme. Ce processus introduit de petites modifications imprévisibles dans l'ADN des cellules. L'objectif n'était pas de concevoir un changement spécifique, mais de générer une grande variété de mutations aléatoires, puis de passer au crible les survivantes pour trouver celles qui avaient, par hasard, moins de chlorophylle. L'équipe a soigneusement ajusté la concentration du produit chimique pour s'assurer que seulement environ cinq pour cent des cellules survivaient au traitement, un niveau de stress qui favorise l'émergence de nouveaux traits sans anéantir la population entière.
Après le traitement chimique, les chercheurs ont déposé les cellules survivantes sur des boîtes de gélose solide et ont attendu qu'elles se développent en colonies visibles. Ils ont recherché des colonies qui apparaissaient plus claires en couleur que le vert profond de la souche sauvage originale. À partir de celles-ci, ils ont sélectionné deux souches spécifiques, qu'ils ont nommées EMS1 et EMS2, car elles paraissaient les plus pâles. Pour confirmer que ces couleurs plus claires étaient un changement génétique permanent et non pas seulement une réaction temporaire, l'équipe a fait croître ces souches pendant trois générations dans de l'eau de mer liquide. Ils ont ensuite comparé les performances de ces nouveaux mutants contre la souche sauvage originale dans des conditions identiques, mesurant la quantité de biomasse produite, la teneur en chlorophylle et la quantité d'huile et de glucides stockés.
Les résultats ont montré un avantage clair pour les souches mutées. La meilleure performante, la souche EMS1, a crû significativement plus vite et a produit plus de biomasse totale que la souche sauvage. À la fin de l'expérience de deux semaines, la culture EMS1 a atteint une densité de 2,47 grammes par litre, alors que la souche sauvage n'a atteint que 2,20 grammes par litre. Plus important encore, la souche EMS1 contenait nettement moins de chlorophylle. Alors que la souche sauvage détenait environ 11 milligrammes de chlorophylle par gramme de biomasse sèche, le mutant EMS1 n'en détenait que 6,29 milligrammes. Cette réduction de pigment a confirmé que la mutation avait modifié avec succès la capacité de l'organisme à récolter la lumière, permettant potentiellement une croissance plus efficace dans des cultures denses où la pénétration de la lumière est limitée.
Au-delà de la croissance plus rapide et de la moindre teneur en vert, la souche mutante a également montré des promesses pour la production de matériaux industriels précieux. Les chercheurs ont constaté que la souche EMS1 stockait plus de lipides, qui sont des graisses pouvant être converties en biocarburants, et plus de glucides, qui peuvent être utilisés pour d'autres produits chimiques. La teneur en lipides dans la souche EMS1 est montée à 21 % de son poids sec, contre 15 % pour la souche sauvage. De même, la teneur en glucides a augmenté à 44 % du poids sec, passant de 28 % dans la souche originale. La quantité de protéines dans les cellules est restée sensiblement la même dans tous les groupes, indiquant que la mutation a spécifiquement stimulé la production de composés de stockage d'énergie sans sacrifier les composants structurels de base de la cellule.
L'étude conclut que ce processus de mutation chimique est une méthode viable pour améliorer les souches de microalgues pour la production à grande échelle. La souche EMS1, avec sa teneur plus faible en chlorophylle et son rendement plus élevé en biomasse et en substances chimiques de valeur, représente une étape importante. Les chercheurs prévoient d'utiliser cette souche spécifique dans de futures expériences impliquant des photobioréacteurs à biofilm, des systèmes où les algues poussent sur des surfaces solides plutôt que de flotter librement. En utilisant une souche qui permet à la lumière de voyager plus profondément dans la culture, ils espèrent capturer le dioxyde de carbone provenant des fumées industrielles et le convertir en produits de haute valeur de manière plus efficace, transformant ainsi un gaz résiduel en une ressource avec des coûts de culture moindres.
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