Une enzyme dans un camp d'entraînement : capter et utiliser efficacement le CO2
la "Lactyl-CoA mutase", qui n'existe pas dans la nature, a été spécifiquement développée pour des voies métaboliques synthétiques efficaces
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Tobias Erb de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre de Marburg a réussi à mettre au point une nouvelle enzyme. La "lactyl-CoA mutase" peut convertir efficacement un composé métabolique clé en produits de valeur. Pour y parvenir, l'équipe de recherche a utilisé l'évolution pour entraîner les capacités d'une enzyme naturelle en laboratoire. L'objectif de la recherche est, entre autres, de trouver une application future dans la capture et l'utilisation durable du gaz à effet de serreCO2.
Peu d'éléments constitutifs du métabolisme cellulaire sont aussi essentiels et polyvalents que l'acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA). En tant que produit de nombreuses voies de fixation duCO2, son utilisation dans la cellule détermine la quantité de biomasse qui peut être formée, ce qui influe en fin de compte sur l'efficacité avec laquelle le gaz à effet de serreCO2 peut être utilisé dans les processus biotechnologiques.
Pour créer d'autres produits et substances chimiques à partir de l'acétyl-CoA, il faut souvent le convertir d'abord en intermédiaires cellulaires à trois atomes de carbone, comme le pyruvate. Dans la nature, les voies métaboliques pour ce processus sont soit inefficaces, soit comportent de nombreuses étapes, soit ne fonctionnent qu'en l'absence d'oxygène. Cela signifie que lors de la conversion de l'acétyl-CoA en pyruvate, soit du carbone précieux est perdu, soit les voies sont si longues qu'elles gaspillent des ressources cellulaires.
C'est pourquoi l'équipe dirigée par Tobias Erb à l'Institut Max Planck de Marburg a entrepris de créer un nouveau "pont" métabolique efficace entre l'acétyl-CoA et le pyruvate, qui permettrait également de capturer et d'utiliser efficacement leCO2, un gaz à effet de serre. L'étude a été réalisée en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck de physiologie végétale moléculaire de Potsdam et vient d'être publiée dans la revue scientifique Nature Communications.
Une recherche déclenchée par la conception théorique
En biologie synthétique, les nouvelles voies métaboliques sont d'abord conçues sur papier avant d'être testées en laboratoire. Pour ce projet, l'équipe a d'abord esquissé une voie métabolique théorique qui fixerait duCO2 supplémentaire tout en étant plus courte que les voies précédemment connues.
Le défi était que l'activité enzymatique clé requise pour ce processus, connue sous le nom de "Lactyl-CoA mutase", était purement théorique à l'origine. Cette activité n'avait pas encore été décrite dans la nature. En consultant les bases de données sur les enzymes, l'équipe a identifié un candidat prometteur dont la structure semblait convenir au processus souhaité. Lors des expériences, cette enzyme a effectivement pu agir sur le substrat fourni, mais elle a travaillé extrêmement lentement.
Comment entraîner une enzyme lente ?
"Dans la nature, l'adaptation constante induite par les mutations et la sélection permet d'améliorer les caractéristiques au fil du temps. Nous avons exploité ce processus dans une version accélérée en laboratoire pour optimiser notre enzyme", explique Helena Schulz-Mirbach, chercheuse doctorante dans l'équipe de Tobias Erb et l'un des premiers auteurs de l'étude. "Pour éviter que la capacité nouvellement acquise ne soit perdue par d'autres mutations, nous avons couplé la croissance d'une bactérie Escherichia coli modifiée à l'activité enzymatique souhaitée. Le développement d'une souche capable d'utiliser cette enzyme lente pour sa croissance était loin d'être trivial."
Formation dans un organisme vivant
Dans un deuxième temps, cette souche a été soumise à une évolution accélérée en laboratoire, un processus appelé "évolution adaptative en laboratoire (ALE)". Des mutations ont été introduites, puis sélectionnées en fonction des caractéristiques souhaitées. Les variantes de la Lactyl-CoA mutase qui en ont résulté étaient non seulement plus rapides et favorisaient une meilleure croissance de la souche, mais - point crucial - elles fonctionnaient également en dehors de la bactérie dans le cadre d'un processus chimique simplifié en tube à essai(in vitro). Dans ce cas, l'enzyme améliorée s'est révélée 5 à 10 fois plus performante que son précurseur naturel.
"Notre étude est un excellent exemple de la manière dont nous pouvons utiliser les mécanismes du métabolisme et de l'évolution dans les cellules vivantes pour optimiser une propriété souhaitée pour des applications en biologie synthétique et en biochimie acellulaire. Ce n'est qu'en combinant ces approches que nous avons pu identifier des variantes améliorées d'enzymes", explique Philipp Wichmann, qui a dirigé les travaux in vitro dans le cadre de l'étude.
Optimisation et objectifs de recherche
"Cependant, notre enzyme doit encore être améliorée : Comparée à d'autres enzymes dans la nature, la Lactyl-CoA mutase est encore assez lente", ajoute Ari Satanowski, qui a participé à la conception et à la direction du projet. L'un des principaux objectifs des futures recherches sera de rendre cette enzyme plus rapide afin qu'elle puisse être utilisée dans diverses applications. Cette voie métabolique entièrement nouvelle entre l'acétyl-CoA et le pyruvate ouvre de nouvelles possibilités, telles que la production de 3-hydroxypropionate, un précurseur pour les plastiques durables d'origine biologique.
"Nous voulons également en savoir plus sur l'enzyme elle-même", déclare Helena Schulz-Mirbach. "Nous savons quelles mutations ont amélioré son activité, mais nous ne comprenons pas encore comment elles y sont parvenues. En résolvant la structure de l'enzyme, nous espérons en savoir plus sur son mécanisme de réaction et sur les effets de ces mutations".
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.
Publication originale
Helena Schulz-Mirbach, Philipp Wichmann, Ari Satanowski, Helen Meusel, Tong Wu, Maren Nattermann, Simon Burgener, Nicole Paczia, Arren Bar-Even, Tobias J. Erb; "New-to-nature CO2-dependent acetyl-CoA assimilation enabled by an engineered B12-dependent acyl-CoA mutase"; Nature Communications, Volume 15, 2024-11-26
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités du secteur des sciences de la vie
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée aux biotechnologies, au secteur pharmaceutique et aux sciences de la vie vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
