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Machine verte: comment la biologie synthétique est-elle susceptible de créer une feuille améliorée

Un projet visant à repenser la photosynthèse de zéro entend fixer le carbone plus rapidement et plus efficacement que la nature, offrant des avantages pour l’agriculture et pour le climat.

Santé

La synthèse de la vitamine B12 datant de 1972 a représenté un effort titanesque, nécessitant le travail de plus de 100 chercheurs sur plus de 12 ans. La solution s’est avérée hautement complexe: elle nécessitait 72 étapes chimiques et présentait un rendement de 0,01 %, mais la synthèse d’une molécule aussi complexe à partir de zéro a permis de faire avancer de manière considérable le domaine de la synthèse organique. Tobias Erb, le coordinateur du projet SYBORG financé par l’UE, compare cette entreprise à ses propres recherches, visant à repenser totalement la photosynthèse. «L’idée est d’utiliser la biologie synthétique pour repenser la fixation du CO2», explique le professeur de biochimie et de métabolisme synthétique à l’institut Max Planck pour la microbiologie terrestre. «La fixation du CO2 est une question centrale en biologie; il s’agit du procédé par le biais duquel toute matière vivante se forme, et dans le même temps, il revêt une importance absolument cruciale pour la création d’un monde durable.» Chez les organismes vivants, la quasi-totalité de la fixation du carbone est prise en charge par les végétaux, via la photosynthèse. En redéfinissant le processus de zéro, Tobias Erb et ses collègues espèrent parvenir à créer une version plus rapide et plus efficiente que les six voies naturelles existantes ayant évolué au cours des quelques milliards d’années passées.

Phase sombre

L’approche de Tobias Erb est de tracer le réseau métabolique sur la base de la chimie pure, en éliminant chaque condition biologique. Cela présente un avantage sur l’évolution, qui doit équilibrer l’optimisation de la photosynthèse avec d’autres facteurs tels que le fait de surmonter des ressources limitées, et la résistance à la sécheresse et aux maladies. L’équipe de Tobias Erb dispose également de l’avantage de pouvoir regrouper des enzymes, principalement issues de bactéries, qui étaient statistiquement peu susceptibles d’exhiber un tel comportement à l’état naturel. «La nature optimise l’élément qu’elle rencontre, et n’explore pas d’autres solutions», ajoute-t-il. L’une de ces solutions est le cycle CETCH, développé par Tobias Erb et son équipe dans le cadre du projet SYBORG. Il s’agit d’une alternative synthétique à la «phase sombre», l’étape de la photosynthèse qui ne nécessite pas de lumière. La création de ce cycle a requis d’identifier et de sourcer 17 enzymes différentes capables de fonctionner conjointement. Ce nouveau cycle se passe notamment de la Rubisco, une enzyme fondamentale à la photosynthèse, mais notoirement lente et aléatoire. Elle a été remplacée par des énoyl-coenzymes carboxylases/réductases (ECR) qui se révèlent 10 à 20 fois plus rapides.

Prêt à l’emploi

Tobias Erb et son équipe travaillent désormais à intégrer leur cycle CETCH dans une cellule vivante, un processus qu’il compare à «exécuter un nouveau logiciel sur du matériel existant». Une alternative moins complexe consiste à l’incorporer à des chloroplastes synthétiques. «Je n’ai aucune idée de quelle option est la meilleure, chacune présente des avantages et des inconvénients», explique Tobias Erb. La biologie synthétique est souvent comparée à une approche d’ingénierie, utilisant des systèmes vivants comme des pièces mécaniques, mais Tobias Erb affirme que ce n’est pas aussi simple que cela. «En biologie, les pièces sont imparfaites, elles font des erreurs, il existe des effets secondaires: la biologie consiste majoritairement à créer des redondances», note-t-il. «Cela consiste à apprendre à concevoir, construire et faire fonctionner un système solide qui n’a jamais existé à l’état naturel.» Le projet a bénéficié du soutien du Conseil européen de la recherche (CER). Il a été aidé des projets FutureAgriculture et GAIN4CROPS, qui ont souhaité appliquer les recherches au secteur de l’agriculture. «La force du CER est qu’il vous pousse à penser de manière progressive, à prendre des risques, et à étudier de nouveaux sujets passionnants, de nouvelles entreprises, qui font avancer la science», indique Tobias Erb. «Nous avons constaté qu’il était possible de construire des systèmes totalement nouveaux en trois à quatre ans, capables de tenir la route face à des systèmes ayant évolué sur des milliards d’années.»

Mots‑clés

SYBORG, photosynthèse, synthétique, CETCH, cycle, enzyme, voie, métabolique, fixation du carbone, chloroplaste

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