Des chercheurs transforment des bactéries en mini-usines productrices de cellulose
"Pour moi, ce travail est une étape importante
Des chercheurs de l'ETH ont modifié certaines bactéries à l'aide de la lumière UV afin qu'elles produisent plus de cellulose. La base de ce travail est une nouvelle approche avec laquelle les chercheurs génèrent des milliers de variantes bactériennes et sélectionnent celles qui se sont développées pour devenir les plus productives.
Les bactéries produisent des matériaux intéressants pour l'homme, tels que la cellulose, la soie et les minéraux. L'avantage de produire des bactéries de cette manière est qu'il s'agit d'un processus durable, qui se déroule à température ambiante et dans l'eau. L'inconvénient est que le processus prend du temps et produit des quantités trop faibles pour être utilisées à des fins industrielles.
C'est pourquoi les chercheurs tentent depuis un certain temps de transformer les micro-organismes en mini-usines vivantes capables de produire plus rapidement de plus grandes quantités d'un produit désiré. Cela nécessite soit une intervention ciblée dans le génome, soit la culture des souches bactériennes les plus appropriées.
Le groupe de recherche dirigé par André Studart, professeur de matériaux complexes à l'ETH Zurich, présente aujourd'hui une nouvelle approche utilisant la bactérie productrice de cellulose Komagataeibacter sucrofermentans. Suivant les principes de l'évolution par sélection naturelle, la nouvelle méthode permet aux scientifiques de produire très rapidement des dizaines de milliers de variantes de la bactérie et de sélectionner les souches qui produisent le plus de cellulose.
K. sucrofermentans produit naturellement de la cellulose de haute pureté, un matériau très demandé pour les applications biomédicales et la production de matériaux d'emballage et de textiles. Ce type de cellulose favorise la cicatrisation des plaies et prévient les infections. "Cependant, les bactéries se développent lentement et produisent des quantités limitées de cellulose. Il fallait donc trouver un moyen d'augmenter la production", explique Julie Laurent, doctorante dans le groupe de Studart et premier auteur d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue scientifique PNAS.
L'approche qu'elle a développée a permis de produire un petit nombre de variantes de Komagataeibacter qui génèrent jusqu'à septante pour cent de cellulose en plus par rapport à leur forme originale.
Accélérer l'évolution grâce à la lumière UV
La chercheuse en matériaux a d'abord dû créer de nouvelles variantes de la bactérie originale présente dans la nature - connue sous le nom de type sauvage. Pour ce faire, Julie Laurent a irradié les cellules bactériennes avec de la lumière UV-C, qui endommage des points aléatoires de l'ADN bactérien. Elle a ensuite placé les bactéries dans une pièce sombre afin d'empêcher toute réparation des dommages causés à l'ADN et d'induire ainsi des mutations.
À l'aide d'un appareil miniature, elle a ensuite encapsulé chaque cellule bactérienne dans une minuscule gouttelette de solution nutritive et a laissé les cellules produire de la cellulose pendant une durée déterminée. Après la période d'incubation, elle a utilisé la microscopie à fluorescence pour analyser quelles cellules avaient produit beaucoup de cellulose et lesquelles n'en avaient pas ou très peu produit.
Grâce à un système de tri développé par le groupe du chimiste de l'ETH Andrew De Mello, l'équipe de Studart a automatiquement trié les cellules qui avaient évolué pour produire une quantité exceptionnellement élevée de cellulose. Ce système de tri est entièrement automatisé et très rapide. En quelques minutes, il peut balayer un demi-million de gouttelettes à l'aide d'un laser et trier celles qui contiennent le plus de cellulose. Il n'en reste que quatre qui produisent 50 à 70 % de cellulose en plus que le type sauvage.
Les cellules évoluées de K. sucrofermentans peuvent se développer et produire de la cellulose dans des tapis placés dans des flacons en verre à l'interface entre l'air et l'eau. Un tel tapis pèse naturellement entre deux et trois milligrammes et a une épaisseur d'environ 1,5 millimètre. Les tapis de cellulose des nouvelles variantes évoluées sont presque deux fois plus lourds et plus épais que ceux du type sauvage.
Julie Laurent et ses collègues ont également analysé ces quatre variantes sur le plan génétique afin de déterminer quels gènes avaient été modifiés par la lumière UV-C et comment ces changements avaient conduit à la surproduction de cellulose. Les quatre variantes présentaient la même mutation dans le même gène. Ce gène est le modèle d'une enzyme dégradant les protéines - une protéase. À la surprise du chercheur, les gènes qui contrôlent directement la production de cellulose n'avaient pas changé. "Nous pensons que cette protéase dégrade les protéines qui régulent la production de cellulose. Sans cette régulation, la cellule ne peut plus arrêter le processus", explique le chercheur.
Brevets en cours
La nouvelle approche est polyvalente et peut être appliquée à des bactéries produisant d'autres matériaux. De telles approches ont été développées à l'origine pour créer des bactéries produisant certaines protéines ou enzymes. "Nous sommes les premiers à utiliser une telle approche pour améliorer la production de matériaux non protéiques", déclare André Studart, professeur à l'ETH. "Pour moi, ce travail est une étape importante.
Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour l'approche et les variantes bactériennes mutées.
Dans une prochaine étape, ils souhaiteraient collaborer avec des entreprises produisant de la cellulose bactérienne afin de tester le nouveau micro-organisme dans des conditions industrielles réelles.
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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