Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering

Au plus profond du monde microscopique des champignons unicellulaires, la nature a construit des usines complexes capables d'assembler des molécules complexes à partir d'ingrédients simples comme le sucre. Parmi ces molécules figurent les acides gras, les briques élémentaires des huiles et des graisses qui jouent des rôendes vitaux tant pour la santé humaine que pour le monde naturel. Certains de ces acides gras, connus sous le nom de graisses polyinsaturées, sont particulièrement précieux car le corps humain ne peut pas les fabriquer de lui-même ; nous devons les obtenir par notre alimentation. Une telle molécule, une chaîne de vingt-deux carbones appelée acide cis-13,16-docosadiénoïque, a récemment captivé l'attention des scientifiques. La recherche suggère que ce gras spécifique possède des propriétés puissantes, notamment la capacité de ralentir la croissance de certaines cellules cancéreuses et de lutter contre l'inflammation. Jusqu'à présent, l'obtention de cette substance était une tâche difficile. Elle ne se trouve naturellement que dans les graines d'une plante d'hiver rare, qui pousse lentement et est difficile à cultiver en grandes quantités. Les méthodes chimiques pour la créer en laboratoire sont tout aussi complexes, impliquant des étapes compliquées et des coûts élevés. Cela a poussé les chercheurs à chercher un meilleur moyen de la produire, tournant leurs regards vers la levure Yarrowia lipolytica, un micro-organisme robuste connu pour sa capacité à accumuler des huiles.

Le défi consiste à convaincre cette levure de fabriquer une molécule qu'elle ne produit pas naturellement. La levure est déjà très douée pour fabriquer un précurseur appelé acide linoléique, mais elle manque des outils spécifiques pour étirer ce précurseur en la chaîne plus longue et plus complexe requise pour le produit final. Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de l'Université Agricole de Hunan et d'autres institutions a traité la levure comme un atelier biologique, en ajoutant et en ajustant systématiquement les outils génétiques nécessaires pour terminer le travail. Ils ont commencé par s'assurer que l'atelier disposait d'un approvisionnement abondant en matière première. En introduisant des gènes provenant d'autres organismes qui agissent comme des convertisseurs spécialisés, ils ont réussi à augmenter la quantité d'acide linoléique à l'intérieur des cellules de la levure. Cette étape était cruciale, car le manque de matière première constitue souvent un goulot d'étranglement pour toute la ligne de production.

Une fois l'approvisionnement en matière première sécurisé, l'équipe a porté son attention sur la chaîne de montage elle-même. La conversion du précurseur en produit final nécessite un processus d'étirement en deux étapes. Les chercheurs ont testé différentes versions des enzymes responsables de cet étirement, un peu comme si l'on testait différents outils pour voir lequel convient le mieux au travail. Ils ont découvert qu'une combinaison d'enzymes spécifique fonctionnait nettement mieux que les autres, prolongeant avec succès la chaîne d'acides gras. Cependant, le processus n'était pas encore assez efficace. La levure produisait l'étape intermédiaire de la chaîne mais peinait à terminer le travail. Pour y remédier, les scientifiques ont essayé une technique appelée fusion enzymatique, où ils ont physiquement lié deux des enzymes nécessaires ensemble, espérant que cela faciliterait le transfert de matériaux entre elles. Étonnamment, cette approche n'a pas fonctionné comme prévu. Les enzymes liées semblaient se gêner mutuellement, et la production du produit final ne s'est pas améliorée. Ce résultat a appris à l'équipe que le simple fait de coller des outils ensemble ne les fait pas toujours mieux travailler ; parfois, l'agencement importe plus que la connexion.

N'étant pas décourés, les chercheurs ont changé de stratégie pour se concentrer sur le pouvoir des instructions pilotant ces enzymes. Ils ont augmenté le nombre de copies des gènes responsables du processus d'étirement et ont testé différents interrupteurs génétiques, appelés promoteurs, pour contrôler la force avec laquelle ces gènes sont activés. Dans une découverte contre-intuitive, ils ont découvert qu'un interrupteur plus faible produisait de meilleurs résultats qu'un interrupteur plus fort. Cela suggère que dans l'environnement complexe d'une cellule vivante, un excès d'activité dans une zone peut parfois perturber l'équilibre de l'ensemble du système. En ajustant soigneusement l'expression des gènes, ils ont créé une souche de levure capable de convertir le précurseur en l'acide gras souhaité de manière beaucoup plus efficace qu'auparavant.

L'équipe a également exploré un autre angle : empêcher la levure de décomposer ce qu'elle avait fabriqué. Ils ont supprimé un gène responsable d'un processus de nettoyage cellulaire qui dégrade naturellement les acides gras, espérant que cela permettrait au produit précieux de s'accumuler. Bien que ce changement ait effectivement fait stocker plus d'huile à la levure, il a eu un effet secondaire désastreux : l'acide gras spécifique qu'ils tentaient de fabriquer a totalement disparu. La perturbation du système de nettoyage a semblé confondre le métabolisme de la cellule si profondément qu'elle ne pouvait plus synthétiser la molécule cible. Cela a permis d'écarter cette stratégie particulière, soulignant l'équilibre délicat requis lors de l'ingénierie d'organismes vivants.

À travers ce processus d'essais, d'erreurs et de raffinements, les chercheurs ont réussi à concevoir une souche de levure produisant la plus grande quantité de cet acide gras précieux jamais enregistrée en laboratoire sans utiliser d'équipements de fermentation industrielle complexes. Dans de simples cultures en flacons agités, la levure modifiée a atteint une concentration de 5,34 milligrammes par litre, la molécule cible représentant 0,47 pour cent du gras total des cellules. Cette réussite démontre qu'en comprenant et en ajustant systématiquement les voies métaboliques d'un micro-organisme, les scientifiques peuvent amener celui-ci à produire des substances complexes à haute valeur ajoutée qui étaient auparavant difficiles à obtenir. Ce travail pose les bases de futurs efforts pour passer à l'échelle supérieure de cette production, offrant potentiellement une source durable et accessible d'une molécule aux promesses significatives pour la médecine et la nutrition.