Une approche durable pour transformer les ressources végétales renouvelables en matériaux décarbonés
Les pays s’unissent pour lutter contre le changement climatique, avec pour objectif de réduire fortement les émissions de gaz à effet de serre d’ici 2030 et d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. La construction d’économies fondées sur les ressources renouvelables constitue une étape clé dans la réalisation de cet objectif. Les systèmes biologiques recyclent naturellement les émissions de gaz à effet de serre tout en produisant une large gamme de substances chimiques et de matériaux. La biofabrication exploite cette capacité en employant des micro-organismes et des enzymes pour transformer les bioressources renouvelables en carburants, en molécules plateformes et en alternatives biosourcées aux plastiques. D’ici 2030, les biotechnologies à l’origine de ces innovations devraient produire plus de 35 % des substances chimiques et des matériaux utilisés au quotidien. Le projet BioUPGRADE(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, a intégré biologie computationnelle, génomique et science des matériaux afin de développer le potentiel de la biotechnologie pour une fabrication durable, concentrant ses efforts sur des biocatalyseurs (enzymes) capables de convertir des fibres renouvelables en produits de haute valeur.
Valoriser plutôt que dégrader
«Nous avons cherché à développer des biocatalyseurs capables de valoriser des bioressources renouvelables en matériaux utiles, plutôt que de les dégrader», explique la coordinatrice du projet, Emma Master. «Traditionnellement, les enzymes utilisées pour le traitement de la biomasse sont conçues pour dégrader la matière végétale en sucres, ensuite fermentés en carburants et en produits chimiques. Cependant, ce paradigme consistant à “tout décomposer d’abord” est à la fois coûteux et inefficace du point de vue de l’économie d’atomes.» À l’inverse, les enzymes avancées de BioUPGRADE adaptent la structure naturelle de la biomasse pour l’utiliser dans une plus large gamme d’applications, notamment les matériaux d’emballage, les encres conductrices pour la bioélectronique ou les hydrogels pour la santé et les soins personnels. «Cette approche améliore l’efficacité des matériaux et réduit l’impact environnemental par rapport aux procédés chimiques traditionnels», ajoute Emma Master.
Mieux exploiter les ressources naturelles
Une activité clé du projet a consisté à concevoir des biocatalyseurs capables de modifier la structure et les propriétés chimiques de matériaux naturels tels que la cellulose, l’hémicellulose et la chitine. Pour ce faire, les chercheurs ont analysé des ensembles de données génomiques à la fois publiques et internes. Ils ont utilisé des techniques avancées telles que la génomique comparative(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) qui compare les génomes de différentes espèces, la reconstruction de séquences enzymatiques ancestrales(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et des simulations moléculaires afin de comprendre le fonctionnement de ces enzymes. L’un des résultats majeurs est un cadre computationnel qui conçoit des protéines multifonctionnelles sur mesure et identifie les principales caractéristiques biophysiques des enzymes qui agissent sur les surfaces des matériaux. «La conception et la mise en œuvre rigoureuses de cribles fonctionnels orientés application sont essentielles à tout dispositif de développement de biocatalyseurs», souligne Emma Master. «À cette fin, nous avons développé des plateformes à micro-échelle capables d’identifier des biocatalyseurs modifiant avec précision les propriétés physiques telles que la charge de surface, la porosité et le comportement d’écoulement, ainsi que les caractéristiques chimiques, telles que l’ajout de groupes carbonyles ou amines, des polysaccharides structurels.»
Réactiver des enzymes ancestrales pour de nouvelles applications
Un exemple marquant de développement de biocatalyseurs réside dans la conception et l’évaluation d’enzymes ancestrales, notamment les expansines, les endoglucanases et les monooxygénases lytiques des polysaccharides. Ces versions ancestrales présentent des propriétés uniques absentes des enzymes modernes, ce qui représente un avantage pour les applications biotechnologiques. Des efforts considérables ont également été consacrés à l’augmentation de la production de protéines. Des expansines microbiennes ont été produites dans des bioréacteurs de 5 à 200 L, fournissant des quantités suffisantes pour des essais applicatifs initiaux dans le traitement des fibres de cellulose. L’approche consiste à exporter directement la protéine dans le milieu extracellulaire, ce qui induit des rendements élevés sans devoir recourir à des étapes de purification complexes. La collaboration interdisciplinaire de BioUPGRADE a permis de développer des technologies plus ciblées, adaptables et prévisibles pour la création de matériaux fonctionnels. Contrairement aux méthodes traditionnelles qui décomposent les matières végétales en sucres, le projet utilise des enzymes pour modifier sélectivement la biomasse sous-utilisée plutôt que de la convertir en sucres, ce qui renforce l’efficacité des ressources et favorise la réutilisation pour une bioéconomie plus durable.