211service.com
Les vaches pourraient-elles améliorer les biocarburants ?
Une étude des microbes qui permettent aux vaches de digérer l'herbe pourrait conduire à de meilleures façons de fabriquer des biocarburants cellulosiques.
Moo-crobes : Les scientifiques ont eu accès au rumen de cette vache par l'ouverture visible sur le côté gauche de l'animal. Les chercheurs ont utilisé des sacs de panic raide placés à l'intérieur du rumen des vaches pour capturer les microbes qui peuvent faire fermenter la plante coriace.
Les biocarburants fabriqués à partir de déchets agricoles, de sciure de bois et d'herbe des prairies promettent d'être plus économiques que les biocarburants dérivés du maïs, de la canne à sucre et d'autres cultures vivrières.
La première étape des biocarburants cellulosiques consiste à convertir des matières végétales résistantes constituées de cellulose et de lignine en sucres qui peuvent ensuite être fermentés pour fabriquer des carburants. Mais cela coûte cher et nécessite actuellement une grande quantité d'enzymes pour décomposer la cellulose. Nous parlons de camions entiers, dit Françoise Arnold , un professeur de génie chimique à Caltech qui n'était pas impliqué dans la recherche sur les vaches. Nous avons besoin de réduire de deux à cinq fois le coût des enzymes, dit-elle.
En revanche, les microbes qui vivent dans la partie du tube digestif des bovins appelée rumen transforment efficacement la cellulose en sucre depuis des millions d'années. Les chercheurs espèrent qu'une nouvelle base de données de 28 000 gènes séquencés à partir de microbes impliqués dans la digestion bovine aidera les ingénieurs à trouver de nouvelles enzymes et à réduire le coût de fabrication des biocarburants cellulosiques.
Jusqu'à présent, les fabricants ont réduit les coûts de fabrication des enzymes cellulolytiques principalement en modifiant les méthodes de traitement. Une autre approche consisterait à fabriquer des enzymes qui fonctionnent plus rapidement ou dans des conditions différentes, telles que des températures extrêmes, qui pourraient faciliter la dégradation de la matière végétale. Pour commencer à réduire les coûts de fabrication des biocarburants cellulosiques, nous avons besoin de nouvelles enzymes qui en font plus, dit Eddy Rubin , directeur du Joint Genome Institute du département américain de l'Énergie. Rubin a dirigé l'étude vache-microbe.
Le problème est qu'environ 99,9 pour cent de tous les microbes sur terre, y compris ceux du rumen des vaches, ne peuvent pas être cultivés en laboratoire. Ainsi, les bioprospecteurs à la recherche d'enzymes microbiennes naturelles prometteuses pour l'industrie ont eu un pool très limité de matériel avec lequel travailler. Heureusement, les nouvelles technologies de séquençage des gènes changent cela, permettant aux chercheurs de découvrir des enzymes microbiennes en examinant leurs gènes. Sans avoir à cultiver des microbes en laboratoire, les chercheurs peuvent séquencer tout le matériel génétique présent dans un écosystème entier, puis cribler ces données pour les gènes d'intérêt. Ce type de recherche est appelé métagénomique.
Le groupe de Rubin a commencé sa recherche de meilleures enzymes cellulolytiques en étudiant les termites en 2007. Les microbes vivant dans les boyaux des termites fermentent les fibres ligneuses en sucres. Le problème avec les termites, dit Rubin, était qu'il était difficile d'obtenir beaucoup de matériel pour travailler parce que les entrailles des termites sont petites. Les études n'ont pas généré la plupart des gènes complets nécessaires à la fabrication d'enzymes fonctionnelles.
Le rumen de la vache peut contenir plus de 150 litres d'aliments à digérer, ce qui donne aux chercheurs beaucoup de matériel pour travailler. Les vaches sont des sujets de test particulièrement avantageux pour ce type d'étude pour une autre raison. Des agronomes ont mis au point un système pour ouvrir une fenêtre couverte dans le rumen des vaches. Il est littéralement possible de regarder dans l'estomac à travers cette fenêtre, appelée fistule, et d'y mettre des échantillons expérimentaux, puis de les retirer. En collaboration avec des chercheurs de l'Université de l'Illinois qui ont des vaches équipées de fistules sur le campus, les chercheurs du Joint Genome Institute ont mis des sacs de panic raide dans l'estomac des vaches, les ont laissées reposer pendant 48 heures et les ont ressorties. Les microbes trouvés adhérant au panic raide étaient présumés être impliqués dans sa fermentation.
Les chercheurs ont ensuite séparé les microbes, les ont décomposés et ont séquencé tout le matériel génétique qu'ils ont trouvé. Les chercheurs ont pu produire une énorme quantité de données sur les gènes, et certains des génomes, trouvés dans le rumen de la vache. Ils ont trouvé environ 250 milliards de paires de bases de gènes, environ 10 fois plus que le génome humain.
Le défi consistait alors à interpréter toutes ces données. À l'aide des installations de calcul haute performance du Lawrence Berkeley National Lab en Californie, le groupe a comparé les séquences vache-microbe avec une base de données de séquences connues pour coder les enzymes qui décomposent les glucides. Cela a conduit à un pool de 28 000 gènes pour une étude plus approfondie. Les chercheurs ont ensuite utilisé des bactéries de laboratoire pour fabriquer les protéines codées par 90 de ces gènes et testé leur fonctionnalité. Environ la moitié d'entre eux étaient capables de décomposer les matériaux cellulosiques.
En plus des 28 000 gènes identifiés, les chercheurs ont pu réassembler les génomes de plusieurs espèces microbiennes jusqu'alors inconnues. Pour tester cette partie de l'étude, ils ont isolé une seule cellule bactérienne non cultivable des échantillons de rumen et ont séquencé son génome. Il correspondait à l'un de ceux qu'ils avaient assemblés. Cette vérification de la réalité biologique nous rend assez confiants, dit Rubin.
La manière dont la nouvelle base de données sera utilisée n'est pas claire. C'est une encyclopédie à sortir, dit Rubin.
Les efforts précédents pour trouver de nouvelles enzymes cellulytiques n'ont pas donné grand-chose. Il y a deux façons de le faire. L'une consiste à essayer de rendre les enzymes plus actives. Une autre façon, que Rubin et Arnold de Caltech considèrent comme la plus prometteuse, consiste à trouver ou à fabriquer des enzymes qui sont non seulement plus actives, mais qui fonctionnent également dans des conditions extrêmes qui pourraient aider à faciliter la dégradation des plantes résistantes, telles que les températures élevées, les températures élevées -solutions salines-conditions qui déstabilisent les enzymes d'aujourd'hui.
Pendant ce temps, les chercheurs appliquent l'analyse métagénomique à d'autres communautés microbiennes qui fermentent des plantes résistantes. David Weiner, responsable de la recherche et du développement de la société d'enzymes Vérénium , affirme que son entreprise a déjà des enzymes termites-microbes dans son pipeline d'évaluation de produits. La société a participé aux premières études sur les termites menées par les chercheurs du Joint Genome Institute et a développé une plate-forme pour accélérer les tests de nouvelles enzymes. Weiner dit que la société recherche également des gènes d'enzymes chez d'autres ruminants, y compris les zèbres, et dans des échantillons prélevés, par exemple, sur des billes en décomposition. Verenium a vendu une partie de son activité d'enzymes cellulolytiques à BP l'automne dernier.