Un champignon convertit directement la cellulose en une nouvelle plateforme chimique
Un nouveau procédé de production en masse d'acide érythro-isocitrique à partir de déchets pourrait rendre cette substance intéressante pour l'industrie à l'avenir
Le champignon Talaromyces verruculosus peut produire de l'acide érythro-isocitrique, un produit chimique jusqu'à présent peu utilisé sur le marché, directement à partir de déchets végétaux bon marché, ce qui le rend intéressant pour une utilisation industrielle. En utilisant les capacités naturelles du champignon non génétiquement modifié, une équipe de recherche d'Iéna a découvert une méthode de conversion efficace de la cellulose en une forme d'acide isocitrique. La nouvelle méthode de production pourrait simplifier considérablement le processus précédemment complexe et en plusieurs étapes permettant d'obtenir des produits chimiques de plateforme à partir de la cellulose, en ne nécessitant qu'un seul bioprocédé. Grâce à cette nouvelle méthode rentable, la molécule sœur de l'acide citrique, rarement utilisée, peut bénéficier d'une économie circulaire durable, à condition qu'il existe un marché pour elle. L'étude a été publiée par une équipe de recherche de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections - Institut Hans Knöll (Leibniz-HKI) dans la revue ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Produits métaboliques naturels de la plupart des organismes vivants, l'acide citrique et l'acide isocitrique comptent parmi les acides les plus répandus dans la nature. L'acide citrique est produit industriellement en grandes quantités par le champignon Aspergillus niger. Avec une production annuelle d'environ 2,8 millions de tonnes dans le monde, il s'agit de l'un des produits biotechnologiques dont le volume est le plus élevé. Son champ d'application est énorme : agent détartrant, conservateur, produit d'entretien ou exhausteur de goût, ce produit chimique naturel polyvalent est un additif important et bon marché dans l'industrie, car la production biotechnologique est extrêmement efficace et simple. La production de bioplastiques et de biocarburants à partir de l'acide citrique est également techniquement possible. Cependant, comme l'acide citrique est produit à partir de sucre et entre donc en concurrence directe avec la production alimentaire, ces domaines d'application n'ont jusqu'à présent été ni économiques ni durables. En fait, la production d'acide citrique consomme actuellement plus de 1 % de la production mondiale de sucre.
L'acide isocitrique est très similaire à l'acide citrique, seul un groupe hydroxyle est positionné sur un atome de carbone différent. La molécule est donc asymétrique et il existe deux variantes différentes, appelées diastéréomères, qui sont désignées sous le nom d'acide thréo-isocitrique et d'acide érythro-isocitrique. Chaque diastéréoisomère possède deux variantes en miroir, les formes D et L. L'acide citrique et l'acide isocitrique ont des propriétés presque identiques et l'on peut supposer que la forme iso serait tout aussi largement applicable. La raison pour laquelle ce n'est pas le cas est qu'il n'existe pas encore de processus de production efficace pour l'acide isocitrique pur, de sorte qu'il n'est actuellement disponible qu'en tant que produit chimique de recherche. Un kilogramme de cette substance coûte actuellement environ 18 000 euros. Toutefois, le nouveau procédé de fabrication permet une production durable et peu coûteuse à partir de déchets et de résidus végétaux tels que la paille, les vieux papiers ou les résidus de bois, ce qui pourrait permettre à l'avenir de produire de l'acide isocitrique à un prix encore plus bas que l'acide citrique. Jusqu'à présent, l'utilisation de ces matières premières renouvelables nécessitait un processus complexe en trois étapes. Des enzymes coûteuses étaient nécessaires pour décomposer la cellulose en sucre par voie enzymatique afin qu'il puisse être utilisé par les micro-organismes.
Un champignon - un processus
Une approche prometteuse est ce que l'on appelle le biotraitement consolidé (CBP), dans lequel plusieurs étapes du processus sont combinées en une seule à l'aide de micro-organismes appropriés. La star de cette nouvelle procédure biotechnologique est la moisissure Talaromyces verruculosus.
Lors de tests de dépistage, le premier auteur Ivan Schlembach a découvert que le type sauvage de T. verruculosus isolé dans la nature peut convertir la lignocellulose directement en acide érythro-isocitrique, en masse et de manière très efficace dans un processus unique dans lequel le champignon produit lui-même toutes les enzymes nécessaires à cet effet.
Au cours d'expériences, les chercheurs ont déterminé les conditions idéales pour la dégradation de la cellulose et la production d'acide isocitrique, y compris des facteurs tels que la teneur en azote, la valeur du pH, la température et la concentration en nutriments. Ils ont également développé de nouvelles méthodes pour mesurer avec précision l'activité de l'enzyme cellulase, cruciale pour la dégradation de la cellulose, au cours du processus de fermentation. Cela permet un contrôle optimal du processus de production. Miriam Rosenbaum dirige l'usine pilote biologique du Leibniz-HKI et est professeur de biotechnologie synthétique à l'université Friedrich Schiller d'Iéna. Elle explique : "T. verruculosus a la capacité unique de convertir la lignocellulose directement en acide érythro-isocitrique avec une efficacité remarquable. Il le fait à un rythme comparable à celui de la conversion du glucose, qui est utilisé en laboratoire comme matériau de départ pour le processus de fermentation. Avec le champignon, nous avons mis au point un processus plus simple et moins coûteux".
Un produit à la recherche d'un marché
L'acide isocitrique peut être facilement converti chimiquement en acide itaconique, qui fait déjà l'objet d'une forte demande pour la production de plastiques et de revêtements durables. Si l'acide érythro-isocitrique est facilement disponible, les clients ne devraient pas manquer. Cependant, comme pour toute nouvelle substance, l'acide érythro-isocitrique n'est pas disponible en grandes quantités jusqu'à présent et il faut donc d'abord établir un marché. Le procédé nettement moins coûteux qui a été mis au point ouvre de nouvelles possibilités et de nouvelles applications.
Une autre particularité est le fait que le procédé ne forme que de l'acide érythro-isocitrique et non un mélange de différents diastéréo-isomères. Cela rend la molécule particulièrement intéressante pour des applications spéciales, par exemple dans l'industrie pharmaceutique. Dans le cas des médicaments, il arrive souvent qu'un seul diastéréo-isocitrique soit efficace, et il faut donc l'isoler laborieusement du mélange des deux variantes. L'acide érythro-isocitrique peut servir d'élément de base chiral précieux pour les synthèses chimiques.
Les propriétés biologiques spécifiques de l'acide érythro-isocitrique ont été peu étudiées jusqu'à présent. Cependant, de nombreuses propriétés utiles ont été démontrées pour la molécule sœur, l'acide thréo-isocitrique. Ce dernier peut être un complément précieux à l'acide citrique, notamment dans les secteurs médical, pharmaceutique, cosmétique ou alimentaire, par exemple comme agent chélateur, comme anticoagulant dans les échantillons de sang, comme complément alimentaire fonctionnel, comme ingrédient dans les cosmétiques, comme conservateur ou comme composé anti-âge dans les produits de style de vie.
Les résultats soulignent que des organismes tels que T. verruculosus peuvent permettre l'utilisation durable des déchets biologiques et rendre économiquement viable la production de produits chimiques de valeur à partir de biomasse renouvelable. "La nature recèle un énorme potentiel pour relever les défis mondiaux en matière de développement durable. Le champignon T. verruculosus jette les bases d'une technologie verte peu coûteuse, et l'acide isocitrique a de nombreuses utilisations industrielles. La seule chose qui manque pour l'instant, c'est l'ouverture du marché à ce nouveau procédé", souligne Ivan Schlembach.
L'équipe de recherche travaille actuellement à l'optimisation du processus et à l'élucidation des réactions biochimiques impliquées dans la formation de l'acide isocitrique. En affinant les paramètres biochimiques, les chercheurs d'Iéna espèrent contribuer à la transition vers une bioéconomie durable et économe en ressources. À l'avenir, ils souhaitent collaborer avec des partenaires industriels intéressés afin de déterminer si le procédé, qui a été breveté, peut également s'imposer sur le marché.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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