E. coli recâblé pour déplacer le flux de carbone vers les produits chimiques C4

Tirant parti de la capacité des systèmes vivants à évoluer et à surmonter des problèmes complexes, des scientifiques américains ont créé des souches de Escherichia coli capable de produire de manière anaérobie du n-butanol, du 1,3-butanediol et de la 4-hydroxy-2-butanone. L’équipe a identifié deux locus génétiques responsables de la modification du flux de carbone de l’acétylcoenzyme A vers des produits chimiques C4 précieux au lieu de la biomasse. Matthew Davis, qui a contribué à la recherche en tant qu’étudiant diplômé dans le laboratoire de Michelle Chang à l’Université de Californie à Berkeley, décrit le travail comme « un exemple de la stratégie expérimentale classique consistant à utiliser l’évolution pour trouver efficacement des solutions à des problèmes biologiques complexes ».

Les systèmes vivants recèlent un énorme potentiel pour synthétiser les composés carbonés souhaités, et leur utilisation d’éléments de base provenant de sources renouvelables pourrait contribuer à éloigner la production chimique des matières premières pétrochimiques. Cependant, il est difficile de réorienter les voies biologiques loin de leurs produits naturels, en particulier vers des molécules à base de carbone plus complexes. «Les cellules ont des objectifs d’évolution et de croissance diamétralement opposés à la production d’un seul produit», explique Michael Jewett, professeur de génie chimique et biologique à l’université de Stanford, aux États-Unis, qui n’a pas participé à la recherche.

Chang et son équipe ont utilisé des techniques telles que l’évolution adaptative naturelle, l’inactivation de gènes, le dépistage enzymatique, la métabolomique et la sélection génétique pour améliorer les rendements en n-butanol, 1,3-butanediol et 4-hydroxy-2-butanone de 11 à 20 % à des rendements quasi quantitatifs en E. coli. Ces trois produits chimiques C4 d’importance industrielle peuvent être davantage déshydratés pour produire respectivement du 1-butène, du 1,3-butadiène et de la méthylvinylcétone.

Leur stratégie reposait sur l’utilisation du titre du produit comme marqueur pour évaluer quantitativement les traits génétiques et créer des générations successives qui, en fin de compte, présentent d’importants changements dans le réseau de régulation et métabolique des cellules. «Nous avons conçu un système dans lequel la croissance cellulaire et la formation de produits étaient liées, ce qui offrait un avantage évolutif aux cellules qui produisaient plus de produits et se développaient ainsi mieux», souligne Davis.

L’évolution adaptative a aidé l’équipe à découvrir un plus petit nombre de mutations puissantes, par opposition aux méthodes de mutagenèse synthétique, explique Davis. «Par exemple, nous avons brièvement exploré le méthanesulfonate d’éthyle, un mutagène chimique, et bien que cela ait produit des souches plus performantes, leurs génomes contenaient 50 à 150 mutations, dont la grande majorité sont susceptibles d’être neutres en termes de performances.»

L’équipe a séquencé les génomes d’un total de 31 souches isolées à partir de trois sélections indépendantes pour la production de n-butanol, de 1,3-butanediol et de 4-hydroxy-2-butanone afin d’identifier les mutations génomiques. l’équipe a découvert que des mutations dans deux locus génétiques, pcnB et rpoBCétaient suffisants pour permettre les changements nécessaires dans les flux de carbone.

Davis dit que plusieurs des techniques qu’ils ont utilisées, tels que le séquençage du génome entier et la métabolomique leur ont permis d’explorer les systèmes microbiens « de manière plus complète, en obtenant un aperçu de la façon dont ils sont régulés et en suggérant des stratégies d’ingénierie pour optimiser les systèmes biologiques pour les applications industrielles ». «La stratégie généralisée de recâblage transcriptionnel devrait… être un domaine fructueux pour de futures études», ajoute-t-il.

«Leurs travaux ouvrent la voie à des opportunités de transformation de la bioéconomie à grande échelle», déclare Jewett. «La plupart des choses qui nous entourent, de la peinture aux chaussures, sont créées à partir de produits chimiques à base de carbone produits à partir de sources fossiles fraîches qui libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.» La biofabrication propose une approche différente et plus durable de ces produits, en orientant la synthèse chimique vers l’utilisation du carbone aérien.

«Au fil du temps, je pense que la fermentation peut devenir une méthode de fabrication viable pour de nombreux produits industriels, mais il reste encore un long chemin à parcourir», conclut Davis. « Il y a tellement de choses à considérer, mais la volonté de construire quelque chose de nouveau est ce qui nous motive jour après jour.