L’isobutanol biosourcé à l'étude au MIT

Dans le cadre de la recherche sur de nouveaux carburants renouvelables en remplacement de l'essence, les alcools lourds tels que l'isobutanol sont des candidats prometteurs. Non seulement ils contiennent plus d'énergie que l'éthanol, mais ils seraient aussi plus « compatibles » avec l'essence et les infrastructures existantes. Jusqu’à présent les rendements de production par voie biotechnologique ne donnaient pas satisfaction. Mais c’était sans compter sur des ingénieurs chimistes et biologistes du MIT à Cambridge (Massachusetts) qui ont trouvé un moyen d'accroître fortement la production d’isobutanol dans des levures. A l’état naturel, cet alcool n’est produit qu’en petite quantité. Historiquement, les chercheurs ont même cherché à diminuer sa production dans les levures au profit de l'éthanol, car il peut altérer la saveur du vin ou de la bière. Cette fois, les chercheurs du MIT font état d’une production stimulée d'environ 260 % dans des travaux décrits dans l’édition en ligne du 17 février de la revue Nature Biotechnology.
Bien que l’on soit toujours en dessous du niveau nécessaire pour envisager une production industrielle rentable, l’approche développée est prometteuse non seulement pour la production d’isobutanol, mais aussi pour d'autres produits chimiques, estiment les chercheurs Gregory Stephanopoulos, Gerald Fink et Jose Avalos, post-doctorant à l'Institut Whitehead et au MIT.
Quelques précisions techniques sont apportée sur le site Web du MIT. On apprend que les levures produisent généralement de l’isobutanol dans une série de réactions qui ont lieu dans deux endroits différents des cellules. La synthèse commence par le pyruvate, une molécule abondante générée par la dégradation de sucres comme le glucose. Le pyruvate est ensuite transporté dans les mitochondries où il peut entrer dans différentes voies métaboliques, y compris celle qui résulte de la production de l’acide aminé valine. L’alpha-cétoisovalérate (alpha-KIV), un précurseur de la valine et des voies de biosynthèse de l’isobutanol, est produit dans les mitochondries dans la première phase de production d'isobutanol. La valine et l'alpha-KIV peuvent être ensuite transportés vers le cytoplasme, où ils sont transformés par un ensemble d'enzymes en isobutanol. Auparavant, des chercheurs ont essayé d'exprimer toutes les enzymes nécessaires à la biosynthèse de l'isobutanol dans ce seul cytoplasme. Cependant, il leur a été difficile d'obtenir certaines de ces enzymes et de les faire fonctionner dans le cytoplasme comme elles le font dans les mitochondries.

Une relocalisation dans les mitochondries
Les chercheurs du MIT ont opté pour une démarche inverse. Ils ont déplacé la deuxième phase de réaction qui se déroule dans le cytoplasme, vers les mitochondries. Cette relocalisation des enzymes a permis de stimuler la production d'isobutanol de 260 %, et les rendements des deux alcools connexes, isopentanol et le 2-méthyl-1-butanol, ont grimpé encore davantage de 370 et 500 %, respectivement.
Il y a probablement plusieurs explications à l'augmentation spectaculaire de rendement, expliquent les chercheurs. Une forte probabilité, bien que difficile à prouver expérimentalement, est que le regroupement des enzymes crée une action synergique. Autre explication possible, le déplacement de la seconde moitié de la voie dans la mitochondrie permet aux enzymes de capter plus facilement les précurseurs avant qu’ils ne s’engagent dans une autre voie métabolique.
« Les enzymes de la deuxième phase, qui sont naturellement dans le cytoplasme, doivent attendre de voir ce qui sort comme molécules de la mitochondrie pour essayer de les transformer. Mais quand on les dépose dans les mitochondries, elles sont mieux à même de concurrencer les autres voies », commente Jose Avalos.
Les résultats pourraient avoir de nombreuses applications en ingénierie métabolique. Il existe de nombreuses situations où il peut être avantageux de confiner toutes les étapes d'une réaction dans un petit espace, pour renforcer l'efficacité, mais aussi éviter des intermédiaires nuisibles susceptibles d'endommager la cellule.
Les chercheurs tentent maintenant d’accroître encore les rendements en isobutanol et de réduire la production d'éthanol qui reste encore le principal produit de la dégradation du sucre dans la levure.
La recherche a été financée par le National Institutes of Health et Shell Global Solutions.

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