Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

Les plastiques qui se décomposent naturellement dans l'environnement ont longtemps été un objectif pour les scientifiques cherchant à remplacer les matériaux persistants qui encombrent les décharges et les océans. Parmi les candidats les plus prometteurs figure une famille de plastiques biodégradables appelés polyhydroxyalcanoates, ou PHA. Il ne s'agit pas de produits chimiques synthétiques fabriqués en laboratoire, mais plutôt de matériaux de stockage naturels que certaines bactéries produisent lorsqu'elles ont plus de nourriture qu'elles n'en ont besoin. Imaginez ces bactéries comme de minuscules usines qui stockent l'énergie sous forme de granules de plastique à l'intérieur de leurs cellules. Les propriétés du plastique résultant dépendent fortement des blocs de construction, ou monomères, qui composent la chaîne. Des blocs plus courts créent un matériau rigide et cassant qui se brise facilement, tandis que des blocs plus longs introduisent de la flexibilité et de l'élasticité, rendant le plastique plus semblable au caoutchouc. Pendant des décennies, les chercheurs ont lutté pour obtenir les bactéries les plus efficaces pour produire ces blocs plus longs et plus flexibles, limitant ainsi la gamme d'applications de ces matériaux écologiques.

Une équipe de chercheurs de l'Agence nationale pour le développement de la science et de la technologie en Thaïlande a franchi une étape importante pour résoudre ce problème. Ils ont travaillé avec une bactérie bien connue, Cupriavidus necator, célèbre pour sa capacité à transformer divers déchets en plastique. Cependant, cette bactérie indigène ne produit naturellement que les blocs de construction courts et cassants. Pour changer cela, les scientifiques ont modifié la bactérie en y ajoutant un gène spécifique provenant d'un autre type de bactérie, Pseudomonas putida, connue pour sa capacité à assembler les blocs plus longs et plus flexibles. Cette modification génétique a créé une nouvelle souche, que les chercheurs ont nommée mcl-C19. Lorsque cette nouvelle souche a été nourrie avec un mélange de mélasse et d'huile de cuisson usagée, elle a commencé à produire un plastique hybride contenant à la fois les blocs courts et rigides et les blocs plus longs et flexibles. Cette combinaison a donné lieu à un matériau présentant une gamme de propriétés plus large, ce qui pourrait le rendre utile pour de nombreuses autres applications que les versions cassantes produites par les bactéries originales.

Les chercheurs ne se sont pas arrêtés à la simple création de la nouvelle souche ; ils ont également développé une stratégie d'alimentation spécifique pour maximiser la production. Les bactéries ont besoin d'un régime équilibré pour faire croître leurs cellules, mais elles ne commencent à stocker du plastique que lorsqu'elles sont privées de certains nutriments tout en ayant encore beaucoup de carbone. Pour exploiter cela, l'équipe a utilisé un processus en deux étapes. Dans la première étape, ils ont nourri les bactéries avec un mélange riche en nutriments pour les aider à se multiplier rapidement et à constituer une population importante. Une fois la population élevée, ils sont passés à la seconde étape, où ils ont ajouté des impulsions de nourriture riche en carbone — spécifiquement de la mélasse et de l'huile de palme usagée — sans ajouter d'azote supplémentaire. Cela a créé un environnement déséquilibré qui a forcé les bactéries à détourner leur énergie vers la fabrication de plastique plutôt que vers la croissance de nouvelles cellules. En contrôlant soigneusement ce processus dans une grande cuve, les bactéries modifiées ont accumulé une quantité massive de plastique, atteignant une concentration de 13 grammes par litre, ce qui représentait près de la moitié du poids total des cellules.

Ce qui rend cette réussite particulièrement notable est la diversité du plastique produit. Les bactéries modifiées n'ont pas seulement fabriqué un type de bloc long ; elles ont créé un mélange complexe contenant six types différents de blocs de construction, allant de courtes chaînes de quatre atomes de carbone à des chaînes plus longues de dix. Le mélange spécifique de ces blocs changeait selon la façon dont les bactéries étaient nourries. Lorsque les chercheurs ont utilisé un processus par lots simple où tout était ajouté en même temps, le plastique avait une composition. Lorsqu'ils ont utilisé la méthode de l'alimentation par impulsions en deux étapes, les proportions des différents blocs ont changé. Cela suggère que les scientifiques peuvent ajuster précisément les propriétés physiques du plastique — le rendant plus rigide ou plus extensible — simplement en ajustant le calendrier d'alimentation et le type de déchets alimentaires utilisés. L'étude a confirmé que l'utilisation d'un mélange de mélasse et d'huile de palme usagée était la méthode la plus efficace pour générer les blocs à longue chaîne souhaités, la nouvelle souche produisant quatre fois plus de ces composants flexibles que la souche parente non modifiée.

Le travail a également démontré que ce processus peut être transposé de petits flacons à de grands bioréacteurs industriels sans perdre en efficacité. Les résultats dans un réservoir de deux litres étaient presque identiques à ceux obtenus dans de plus petits contenants, indiquant que la méthode est suffisamment robuste pour une production à plus grande échelle. Bien que la quantité de plastique produite soit élevée, les chercheurs ont noté que le pourcentage du poids cellulaire constitué de plastique pouvait encore être amélioré. Ils ont reconnu que d'autres ajustements génétiques pourraient être nécessaires pour pousser les bactéries à convertir encore plus de leurs ressources en plastique plutôt qu'en autres composants cellulaires. Cependant, les résultats actuels montrent qu'en combinant un changement génétique simple avec une stratégie d'alimentation intelligente, il est possible de transformer des matières premières courantes en un plastique biodégradable et polyvalent, doté de propriétés qui peuvent être adaptées à des besoins spécifiques. Cette approche offre une voie pratique vers une économie biosourcée où la production de plastique repose sur des ressources renouvelables et génère des matériaux qui peuvent retourner en toute sécurité dans l'environnement.