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Une nouvelle approche sur mesure en matière des biocarburants

Des chercheurs européens ont mis au point et testé des structures cellulaires, les cellulosomes, qui aident à la décomposition des déchets de biomasse abondants pour produire des produits chimiques à valeur ajoutée, tels que les biocarburants avancés.
Une nouvelle approche sur mesure en matière des biocarburants
L’élément clé pour la production de biocarburants avancés à partir de la biomasse lignocellulosique réside dans la conversion efficace de la cellulose contenue dans les parois cellulaires en sucres fermentables, le problème majeur de la production à grande échelle. La décomposition efficace de la biomasse en sucres, appelée saccharification, peut réduire les coûts du processus et réduire la quantité de produits de départ nécessaires pour la production de biocarburants, avec une période de prétraitement plus courte ou plus légère.

Certains micro-organismes possèdent des structures naturelles appelées cellulosomes qui contiennent de la cellulase, une enzyme qui décompose efficacement la cellulose en sucres. Le projet CELLULOSOMEPLUS financé par l’UE a développé des cellulosomes artificiels (DC) afin d’obtenir des rendements élevés des sucres fermentables à partir de la fraction organique des déchets municipaux solides pour créer des biocarburants avancés à moindre coûts.

Le consortium a fabriqué les composants de base des cellulosomes naturels ainsi que d’autres enzymes lignocellulosiques, et après leur assemblage en cellulosomes DC, il a déterminé l’hydrolyse des supports de la fraction organique des déchets municipaux solides. Il a également examiné la structure physicochimique, atomique et supramoléculaire des cellulosomes, ainsi que les échanges entre leurs nombreux composants. «La structure des cellulosomes est constituée d’une sous-unité "à échafaudage" non-catalytique qui supporte les "cohésins" qui sont des modules de reconnaissance complémentaires d’un autre type du domaine appelé "dockérins", qui sont supportés par des enzymes et permet leur intégration dans l’ensemble», explique le Dr Mariano Carrión-Vázquez, coordinateur du projet.

Développement de nouveaux tests et modèles

Pour déterminer quels composants cellulosomes et non-cellulosomes doivent être utilisés dans les DC, l’équipe a mis au point un test enzymatique normalisé. Un autre test de détermination de l’activité enzymatique dans les supports industriels a démontré que les cellulosomes hydrolysaient la biomasse lignocellulosique d’une manière plus efficace qu’une simple enzyme purifiée ou un mélange d’enzymes. «Ces études ont permis de mieux comprendre la structure et les propriétés nanomécaniques et catalytiques des cellulosomes, ainsi que la logique qui se cachait derrière leur structure», remarque le Dr Carrión-Vázquez.

La modélisation multiéchelle des niveaux atomiques aux niveaux supramoléculaires a été utilisée pour étudier la structure et l’autoassemblage des cellulosomes. Selon le Dr Carrión-Vázquez: «Les modèles ont fourni de nouvelles informations sur les propriétés dynamiques des catalyseurs et la stabilité mécanique, ce qui a donné lieu à de nouvelles idées d’expérimentation et une boucle de rétroaction synergique pour la production de DC optimisés.»

Les connaissances acquises sur les cellulosomes naturels et la sélection ultérieure de leurs composants ont fourni aux chercheurs une plateforme pour tester la construction des DC finaux. Ces derniers supportent les composants cellulomases et non-cellulomases et ont été validés au laboratoire et à l’échelle préindustrielle pour assurer une dégradation optimale des supports industriels de la fraction organique des déchets municipaux solides.

Avantages pour le secteur européen de la biotechnologie

Les partenaires du projet ont analysé les cellulosomes de neuf espèces de bactéries et ont créé une base de données de composants cellulosomes. La stabilité thermique des enzymes cellulosomes clés a augmenté par mutagenèse aléatoire et semi-rationnelle, ce qui a permis d’obtenir de meilleurs rendements d’hydrolyse. Les scientifiques ont également identifié les structures 3D de trois hydrolases glycosides et ont utilisé les données pour mettre au point des modèles informatiques. Différentes approches pour déterminer les échanges entre les composants cellulosomes, utilisant une spectroscopie à force monomoléculaire basée sur des méthodes de microscopie à force atomique, ont été développées, ce qui a permis de réduire le temps de préparation des échantillons et d’améliorer la qualité des données et la comparabilité. La stabilité mécanique des modules cohésins «à échafaudage » a été considérée comme un paramètre industriel important pour l’activité enzymatique des cellulosomes.

Le consortium a construit de nombreux modèles d’enzymes et de DC multi-domaines présentant une image détaillée des assemblages cellulosomes. Ces modèles comprenaient des données importantes relatives à la stabilité thermique et à la spécificité des supports des éléments cellulosomes clés.

L’équipe a conçu un DC à partir de dix composants, en combinant les activités de cellulase/xynalase avec trois enzymes secondaires. De plus, la complexation des enzymes dans un DC optimisé a amélioré l’hydrolyse dans les supports modèles et la biomasse lignocellulosique prétraitée. «L’utilisation de DC autoassemblés comme nano-catalyseurs constitue un avantage pour les industries européennes de biotechnologie qui travaillent dans le secteur lié aux transport ainsi que pour les industries chimiques impliquées dans le traitement des déchets municipaux et des déchets des secteurs agroalimentaire, du papier et forestier», remarque le Dr Carrión-Vázquez.

L’adaptation des DC aux différents résidus de la biomasse lignocellulosique devrait améliorer l’efficacité des processus et réduire ainsi les coûts de production. «Cette nouvelle technologie contribuera également à diminuer la dépendance de l’Europe à l’égard du pétrole, renforcer les PME au sein de l’UE, stimuler la création d’emplois et réduire les impacts environnementaux du secteur des biocarburants avancés.»

Mots-clés

CELLULOSOMEPLUS, cellulosome, biocarburant, saccharification, cellulose