Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

Dans le monde de l'alimentation et de la médecine, la nature fournit une palette vibrante de pigments qui font plus que simplement colorer notre monde ; ils le protègent. Parmi ceux-ci figurent les caroténoïdes, une famille de composés antioxydants présents dans les carottes, les tomates et de nombreuses autres plantes. Ces molécules agissent comme un bouclier pour les cellules vivantes, neutralisant les substances nocives qui peuvent endommager les tissus et contribuer aux maladies chroniques. Pendant des décades, les scientifiques ont cherché des moyens de produire ces précieux composés sans dépendre uniquement de la récolte de cultures, ce qui peut être saisonnier et gourmand en terres. Au lieu de cela, ils se sont tournés vers le monde microscopique, utilisant de minuscules organismes comme la levure et les bactéries comme des usines vivantes. Ces microbes peuvent être nourris de sucres simples et incités à produire des caroténoïdes en grandes quantités, offrant une alternative durable qui ne concurrence pas les ressources alimentaires. Le défi, cependant, consiste à trouver une source de nourriture bon marché et abondante pour ces microbes, puis à les entraîner à travailler plus dur, produisant plus de pigments que leurs homologues naturels ne le pourraient jamais.

Une équipe de chercheurs en Indonésie a franchi une étape significative dans cet effort en transformant des déchets agricoles en un produit à haute valeur ajoutée. Ils se sont concentrés sur la bagasse de canne à sucre, le résidu fibreux laissé après l'extraction du jus de canne. Ce matériau est abondant, avec des centaines de millions de tonnes produites mondialement chaque année, pourtant il est souvent sous-utilisé. Les chercheurs savaient que la bagasse est riche en cellulose, un sucre complexe qui peut être décomposé en sucres simples comme le glucose, que la levure adore manger. Leur objectif était de transformer ce déchet en un milieu de culture pour Rhodotorula mucilaginosa, une levure rouge connue pour sa capacité à produire des caroténoïdes. Pour rendre le processus encore plus efficace, ils ne se sont pas contentés de la levure naturelle ; ils ont utilisé un outil chimique pour créer un mutant « super-levure » qui produit beaucoup plus de pigments que la souche originale.

Le voyage a commencé par la préparation des déchets de canne à sucre. Les chercheurs ont pris la bagasse séchée et l'ont traitée avec une solution alcaline douce pour desserrer sa structure robuste, la rendant plus facile à décomposer. Ils ont ensuite ajouté une enzyme spécifique, la cellulase, qui agit comme une paire de ciseaux moléculaires, coupant les longues chaînes de cellulose en sucres simples comme le glucose et le xylose dont la levure a besoin pour survivre. Grâce à des tests minutieux de différentes concentrations chimiques, ils ont identifié la recette parfaite : un traitement avec 0,75 molaire de soude suivi d'une hydrolyse avec 20 grammes d'enzyme par litre. Cette combinaison a produit un liquide riche en sucres fermentescibles, contenant environ 27,34 grammes de glucose et 3,59 grammes de xylose par litre. Ce bouillon sucré est devenu le nouveau foyer de la levure, remplaçant les sucres raffinés coûteux par une alternative renouvelable et à bas prix.

Une fois la source de nourriture prête, les chercheurs ont porté leur attention sur l'amélioration de la levure elle-même. Ils savaient que la souche naturelle de Rhodotorula mucilaginosa était capable, mais ils voulaient repousser ses limites. Pour ce faire, ils ont exposé les cellules de levure à l'éthylméthanesulfonate, un agent mutagène chimique qui introduit de petites modifications aléatoires dans le code génétique de l'organisme. Considérez ce processus comme un mélange du jeu de cartes dans le manuel d'instructions de la levure ; la plupart des mélanges n'entraînent aucun changement ou une main perdante, mais occasionnellement, un mélange crée une combinaison gagnante. Ils ont testé diverses concentrations du produit chimique, trouvant qu'une solution à 4 pour cent était le point idéal. Elle était assez forte pour éliminer la vaste majorité des cellules — environ 97,6 pour cent — garantissant que seules les survivantes les plus robustes subsistaient, mais assez douce pour laisser quelques colonies viables ayant subi des changements génétiques bénéfiques.

À partir des survivantes de ce défi chimique, les chercheurs ont sélectionné sept colonies distinctes pour voir laquelle s'était le plus améliorée. Ils ont fait croître chacune d'elles dans un bouillon nutritif standard et ont mesuré la quantité de caroténoïdes produite. Bien que plusieurs mutants aient montré des promesses, une souche, désignée M7, s'est distinguée par sa constance et sa production élevée. Lorsque l'équipe a comparé ce mutant à la levure originale, non modifiée, la différence était frappante. Le mutant M7 a produit 33,12 microgrammes de caroténoïde pour chaque gramme de biomasse de levure sèche, soit une augmentation de 1,46 fois par rapport à la souche indigène, qui n'en produisait que 22,64 microgrammes par gramme. Cette amélioration ne concernait pas seulement la présence de plus de pigments à l'intérieur des cellules ; le mutant a également converti le sucre du bouillon de bagasse en caroténoïdes de manière beaucoup plus efficace. Pour chaque gramme de glucose consommé, le mutant a produit 5,15 microgrammes de caroténoïde, tandis que la souche indigène en produisait moins de la moitié de cette quantité.

La performance du mutant s'est étendue au volume global de production également. Dans le même laps de temps, la souche M7 a généré une concentration totale de caroténoïdes de 66,80 microgrammes par litre de liquide, soit presque le double des 33,51 microgrammes produits par la souche indigène. Cela s'est traduit par une vitesse de production deux fois plus rapide, avec le mutant créant 0,46 microgramme de caroténoïde par litre et par heure, contre 0,23 pour l'original. Au-delà des chiffres, les chercheurs ont observé que le mutant était mieux adapté à l'environnement de la canne à sucre. Alors que la levure indigène a mis six heures pour s'adapter au nouveau bouillon avant de commencer à croître, le mutant M7 a commencé à se multiplier immédiatement, suggérant que les changements génétiques l'avaient rendu plus résilient et prêt à travailler.

Enfin, l'équipe a testé si cette augmentation de la production résultait effectivement en un pouvoir antioxydant plus puissant. Ils ont utilisé un test standard qui mesure la capacité d'une substance à neutraliser les radicaux libres, une fonction clé des antioxydants. L'extrait du mutant M7 a montré une activité de piégeage des radicaux de 46,94 pour cent, supérieure aux 35,75 pour cent observés chez la souche indigène. Cependant, l'analyse statistique a révélé que cette différence n'était pas assez significative pour être considérée comme une amélioration définitive par rapport à l'originale. Cela suggère que, bien que le mutant ait produit plus de caroténoïdes au total, le mélange spécifique de pigments qu'il a créé pourrait avoir changé. La levure produit plusieurs types de caroténoïdes, notamment le bêta-carotène, la torulène et la torularhodine, qui ont des forces antioxydantes différentes. Il est possible que le mutant ait produit un type de pigment moins puissant dans ce test spécifique, ou que l'augmentation totale de pigment n'ait tout simplement pas été suffisante pour montrer une différence statistique claire dans cet essai.

L'étude conclut que la combinaison des déchets agricoles et de l'amélioration génétique est une voie viable vers une production durable de caroténoïdes. En utilisant la bagasse de canne à sucre, les chercheurs ont démontré que les sucres alimentaires coûteux ne sont pas nécessaires pour alimenter ces usines microbiennes. En utilisant la mutagenèse chimique, ils ont montré que les souches naturelles de levure peuvent être améliorées pour travailler plus dur et plus efficacement. Bien que la puissance antioxydante du produit final nécessite une étude plus détaillée pour comprendre exactement quels pigments sont présents, le processus lui-même offre un cadre prometteur. Il transforme un déchet en une ressource précieuse et crée un organisme plus productif, pointant vers un avenir où les pigments naturels peuvent être fabriqués de manière peu coûteuse et durable sans peser sur les systèmes alimentaires de la planète.