Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

Les plantes sont des maîtres chimistes, élaborant constamment des molécules complexes qui les protègent du soleil, combattent les infections et leur donnent leurs couleurs. Parmi ces créations chimiques figurent les flavonoïdes, une famille diversifiée de composés présents dans les fruits, les légumes et les fleurs. Les humains ont longtemps valorisé ces substances pour leurs bienfaits potentiels sur la santé, les utilisant dans l'alimentation, les médicaments et les cosmétiques. Pendant des décennies, les principales méthodes pour obtenir des flavonoïdes ont consisté à les extraire des plantes ou à les construire de toutes pièces en laboratoire. Les deux méthodes présentent des inconvénients importants : l'extraction à partir de cultures est souvent inefficace et limitée par les saisons, tandis que la synthèse chimique peut être coûteuse et écologiquement contraignante.

Ces dernières années, les scientifiques se sont tournés vers de minuscules usines vivantes appelées microbes pour produire ces composés. En insérant des gènes végétaux dans des bactéries ou des levures, les chercheurs peuvent programmer ces cellules pour fabriquer des flavonoïdes spécifiques. Cependant, la plupart de ces usines microbiennes sont nourries de sucres simples, comme le glucose. Pour transformer le sucre en un flavonoïde, le microbe doit d'abord construire une structure de cycle aromatique complexe à partir de rien, un processus qui nécessite de nombreuses étapes génétiques et consomme une grande partie de l'énergie de la cellule. Cela rend le processus long et difficile à contrôler. Une approche plus directe consisterait à nourrir les microbes avec les blocs de construction aromatiques dont ils ont besoin, contournant ainsi la phase de construction initiale. La nature fournit ces blocs en abondance au sein de la lignine, un polymère ligneux robuste qui donne leur rigidité aux arbres. Lorsque le bois est décomposé, il libère un mélange de composés aromatiques qui sont chimiquement très similaires aux précurseurs que les plantes utilisent pour fabriquer des flavonoïdes. Le défi a été de trouver un microbe capable non seulement de consommer ces composés aromatiques robustes, mais aussi de tolérer les conditions difficiles de la décomposition du bois, tout en étant facile à manipuler génétiquement pour la production.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tampere en Finlande a réussi à relever ce défi en se tournant vers une bactérie appelée Acinetobacter baylyi ADP1. Contra ri aux bactéries de laboratoire couramment utilisées dans ces études, cet organisme possède naturellement la machinerie pour consommer une grande variété de composés aromatiques présents dans le bois. Les chercheurs ont cherché à voir s'ils pouvaient exploiter cette capacité naturelle pour transformer directement les matériaux dérivés de la lignine en flavonoïdes de valeur. Leur objectif était de créer une plateforme microbienne unique capable de produire différents types de flavonoïdes simplement en changeant le type de nourriture dérivée du bois fourni, sans avoir besoin de recâbler le code génétique des bactéries pour chaque nouveau produit.

L'équipe a commencé par tester si elle pouvait amener la bactérie à produire de l'homoeriodictyol, un flavonoïde spécifique souvent utilisé dans l'alimentation et la médecine. Cette molécule est typiquement fabriquée à partir d'un précurseur appelé ferulate. Les chercheurs ont d'abord tenté de modifier les enzymes existantes de la bactérie pour qu'elles acceptent le ferulate, espérant qu'un petit ajustement génétique permettrait à la cellule de traiter ce nouvel ingrédient. Ils ont modifié des parties spécifiques de l'enzyme responsable de la construction de la structure du flavonoïde, mais ces changements n'ont pas fonctionné ; la bactérie ne pouvait pas produire la molécule souhaitée. Réalisant que des ajustements mineurs étaient insuffisants, les chercheurs ont changé de stratégie. Au lieu de modifier l'enzyme existante, ils ont cherché une version différente de l'enzyme provenant d'une autre espèce végétale qui était naturellement capable de gérer le ferulate. Ils ont trouvé une correspondance dans une plante appelée Stenoloma chusanum. Lorsqu'ils ont remplacé l'enzyme bactérienne originale par cette nouvelle enzyme végétale, la bactérie a immédiatement commencé à produire de l'homoeriodictyol. Cette découverte a mis en évidence un principe clé : parfois, la solution la plus efficace n'est pas de forcer un outil existant à accomplir une nouvelle tâche, mais de trouver un outil qui a déjà été conçu pour cela.

Avec cette nouvelle combinaison d'enzymes en place, les chercheurs ont optimisé les conditions de croissance pour maximiser la production. Ils ont constaté que les bactéries perforaient mieux lorsqu'elles étaient nourries d'une quantité modérée de précurseur et cultivées à une température spécifique. Dans ces conditions, les bactéries produisaient 3,7 milligrammes par litre d'homoeriodictyol dans un flacon. Mais l'équipe ne s'est pas arrêtée là. Ils voulaient voir si ce même dispositif pouvait produire d'autres flavonoïdes. Ils ont introduit un autre composé aromatique, le caffeate, dans la culture. Remarquablement, la même souche de bactéries, avec exactement la même configuration génétique, a changé de régime et a commencé à produire un autre flavonoïde appelé eriodictyol. Dans ce cas, les bactéries ont produit 24,2 milligrammes par litre, un montant nettement supérieur au précédent. Cela a démontré que la production des bactéries était entièrement dictée par la nourriture qui leur était donnée. Si nourrie de ferulate, elle produisait un produit ; si nourrie de caffeate, elle en produisait un autre.

Pour tester le système dans des conditions plus réalistes, les chercheurs ont déplacé les bactéries dans un bioréacteur, un grand récipient utilisé pour la fermentation à l'échelle industrielle. Ils ont nourri les bactéries d'un mélange de trois composés aromatiques trouvés dans le bois : le ferulate, le caffeate et le p-coumarate. Les bactéries ont réussi à convertir cette "soupe" mixte en un cocktail de trois flavonoïdes simultanément. Bien que la quantité totale de produit soit inférieure à celle obtenue avec un seul ingrédient, probablement parce que les différentes voies métaboliques entraient en compétition pour les ressources, le résultat a prouvé que le système pouvait gérer des mélanges complexes. C'est une étape cruciale, car les déchets de bois du monde réel ne sont jamais un composé pur, mais un mélange complexe.

Enfin, l'équipe a testé le système avec de véritables sous-produits industriels. Ils ont pris de la paille de blé et un type de bois traité appelé lignine organosolv, les ont traités par un processus chimique pour les décomposer, et ont collecté le liquide résultant. Ce liquide, connu sous le nom de liqueur de prétraitement alcalin, contient un mélange naturel de composés aromatiques mais aussi de nombreuses autres impuretés qui peuvent être toxiques pour la plupart des bactéries. Les chercheurs ont ajouté ce liquide complexe aux cultures bactériennes. Malgré cet environnement complexe et difficile, les bactéries ont prospéré et ont produit des flavonoïdes. Ils ont réussi à convertir les composés présents dans les liqueurs de paille de blé et de lignine en les molécules cibles, prouvant que le système fonctionne non seulement avec des produits chimiques purs en laboratoire, mais aussi avec les flux de déchets réels générés par les industries forestières et agricoles.

L'étude conclut qu'Acinetobacter baylyi ADP1 est une plateforme hautement polyvalente pour une fabrication durable. En exploitant la capacité naturelle de la bactérie à consommer des composés aromatiques, les chercheurs ont contourné la nécessité pour les bactéries de construire ces structures à partir de rien. Cette approche permet un système de production flexible où le produit final est déterminé par le substrat. Si une usine dispose d'un surplus d'un certain type de produit chimique dérivé du bois, les bactéries peuvent être nourries de celui-ci pour fabriquer un flavonoïde spécifique ; si l'approvisionnement change, la même bactérie peut être nourrie d'un autre produit chimique pour fabriquer un autre produit, le tout sans ingénierie génétique supplémentaire. Ce travail établit un lien direct entre la valorisation de la lignine, un matériau souvent brûlé comme combustible, et la production de produits naturels à haute valeur ajoutée, offrant une voie prometteuse vers une bioéconomie plus circulaire et plus efficace.