Bioproduction sans cellules pour des produits chimiques moins chers et plus propres

Les biotechnologues ont génétiquement modifié des bactéries et d'autres microbes pour produire des biocarburants et des produits chimiques à partir de ressources renouvelables. Mais les voies métaboliques complexes de ces organismes vivants peuvent être difficiles à contrôler et les produits recherchés peuvent être toxiques pour les microbes. Et si vous pouviez éliminer complètement la cellule vivante ?

Biochimie brassicole : Les chercheurs de Greenlight Biosciences, Kamil Gedeon (assis) et Stephanie DeMarino (debout) surveillent une culture de bactéries conçues pour produire des enzymes permettant une synthèse chimique sans cellule.

Greenlight Biosciences, une startup de la région de Boston, conçoit des microbes pour fabriquer diverses enzymes capables de produire des produits chimiques, puis ouvre les insectes pour récolter ces enzymes. Les scientifiques n'ont pas à se donner la peine d'isoler les enzymes de l'autre matériel cellulaire ; au lieu de cela, ils ajoutent des produits chimiques pour inhiber les réactions biochimiques indésirables. En mélangeant des boues à base de différents microbes avec des sucres et d'autres matières premières à base de carbone, l'entreprise peut générer des réactions complexes pour produire une variété de produits chimiques. Greenlight affirme que sa technologie permet à l'entreprise de fabriquer des versions moins chères de produits chimiques existants et a déjà produit un additif alimentaire, des produits pharmaceutiques, des pesticides et des herbicides.

La plus grande motivation au démarrage de l'entreprise était de trouver comment produire de tels composés d'une manière plus respectueuse de l'environnement, a déclaré le PDG. Andrey Zarur . Mais les produits de Greenlight doivent également être moins chers que ceux produits par la fabrication chimique ou à base de cellules, dit-il, sinon les industries hésiteront à les utiliser.

La stratégie de Greenlight s'éloigne des procédés de fermentation classiques qui dépendent de cuves de microbes vivants. C'est également différent d'une approche différente du génie génétique, souvent appelée biologie synthétique, qui modifie les voies des microbes afin qu'ils soient optimisés pour fabriquer des composés souhaitables. Plusieurs entreprises fabriquent des bactéries et des levures pour produire des produits chimiques spécialisés, mais pour la plupart, ces groupes maintiennent les insectes en vie. Amyris, par exemple, peut fabriquer des biocarburants, des médicaments et des produits chimiques utilisés dans les cosmétiques et les lubrifiants en concevant des microbes avec de nouveaux ensembles d'enzymes qui peuvent modifier les sucres et d'autres matières premières (voir Amyris annonce la production commerciale de produits biochimiques et les microbes peuvent produire en masse un médicament contre le paludisme ). Metabolix a conçu des bactéries pour produire du plastique biodégradable (voir A Bioplastic Goes Commercial ).

Un problème avec cette stratégie est que lorsque les bactéries et autres microbes sont transformés en usines chimiques vivantes, ils doivent encore consacrer des ressources à la croissance au lieu de la production chimique, dit Mark Styczynski , ingénieur métabolique et biologiste des systèmes au Georgia Institute of Technology. De plus, même dans une bactérie en apparence simple, le métabolisme est compliqué. Les voies métaboliques ont une régulation complexe en leur sein et à travers elles, dit-il. Changer une voie métabolique pour améliorer la production chimique peut avoir des conséquences larges et parfois négatives pour le reste de la cellule.

Ainsi, séparer la voie de production des besoins de la cellule pourrait être un énorme avantage, dit-il. Greenlight n'évite pas complètement les microbes. Dans l'espace de laboratoire ensoleillé de l'entreprise au nord de Boston, les chercheurs utilisent des bioréacteurs à bulles pour cultiver des bactéries en culture liquide, maintenant différentes espèces et souches capables de produire une variété d'enzymes. Une fois que les insectes ont atteint une certaine densité, les chercheurs les envoient dans une extrudeuse à haute pression pour les briser en morceaux. Ensuite, ils ajoutent des médicaments à la suspension grise résultante pour désactiver la plupart des enzymes métaboliques des cellules ; les enzymes utiles ne sont pas affectées car elles ont été conçues pour résister aux médicaments.

La technologie qui maintient le fonctionnement des voies métaboliques exposées a été développée par James Swartz , un ingénieur biochimiste à l'Université de Stanford qui a quitté son poste d'ingénieur protéinique dans la société de biotechnologie Genentech pour développer des méthodes acellulaires pour la production de protéines pharmacologiques (l'insuline est un exemple de protéine médicamenteuse pouvant être produite par biotechnologie). Cherchant à mieux contrôler la machinerie biologique qui produit des protéines, Swartz a découvert comment donner à cette machinerie l'environnement biochimique dont elle avait besoin même en dehors de son domicile normal dans une cellule. Non seulement ses méthodes lui ont permis de fabriquer des protéines plus complexes, mais il s'est avéré qu'elles pouvaient également être utilisées pour contrôler la machinerie biologique afin de fabriquer de petites molécules et des produits chimiques. Nous avons découvert qu'en reproduisant les conditions chimiques qui se produisent à l'intérieur de la cellule, nous activons de nombreux processus métaboliques, même ceux que les gens pensaient être trop compliqués, dit-il.

Greenlight peut dépanner et ajuster la production métabolique de produits chimiques d'une manière plus proche du génie chimique que de tout ce que l'on trouve dans l'ingénierie microbienne typique. Les suspensions acellulaires sont actives pendant 96 heures avant que les enzymes ne commencent à se décomposer. À ce stade, un nouveau lot de microbes doit être cultivé.

L'une des beautés de la cellule est qu'elle est auto-réplicable, explique David Berry, directeur de Flagship Ventures, qui a cofondé les sociétés de biocarburants LS9 et Joule Unlimited. (Berry est un 2007 Examen de la technologie du MIT Innovateur de moins de 35 ans.) Mais même si un système sans cellule manque cet avantage, il existe d'autres avantages, tels qu'une flexibilité supérieure. Il est possible de travailler avec plus d'intrants et de contourner des situations où certaines voies ne fonctionnent actuellement pas en raison des besoins de la cellule, dit Berry.

Zarur dit que Greenlight pourrait avoir son premier produit sur le marché au début de l'année prochaine. Ce sera un complément alimentaire avec des bienfaits pour la santé, dit-il.

L'entreprise a également reçu une subvention de 4,5 millions de dollars de l'ARPA-E pour développer un système de conversion du méthane, le principal ingrédient du gaz naturel, en carburant liquide. L'agence affirme qu'une telle technologie pourrait permettre aux fermenteurs mobiles d'accéder à des sources éloignées de gaz naturel pour une conversion à faible coût du gaz naturel en carburant liquide.

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