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Maïs préparé pour la fabrication de biocarburant
Dans un effort pour aider à augmenter l'approvisionnement du pays en biocarburants, les chercheurs ont créé trois souches de maïs génétiquement modifié pour fabriquer des enzymes qui décomposent la cellulose de la plante en sucres pouvant être fermentés en éthanol. L'incorporation de telles enzymes directement dans les plantes pourrait réduire le coût de conversion de la cellulose en biocarburant.
Pousses et feuilles : Pour faciliter la décomposition de la cellulose en sucres fermentescibles pour la fabrication d'éthanol, Mariam Sticklen de la Michigan State University modifie génétiquement le maïs avec des gènes qui produisent des enzymes dégradant la cellulose dans les tiges et les feuilles de la plante. Les enzymes ne sont activées qu'après la récolte du maïs, lorsque la plante est broyée.
L'année dernière, de nouvelles réglementations fédérales ont appelé à une augmentation de la production de carburants renouvelables à 36 milliards de gallons par an, soit près de cinq fois les niveaux actuels, d'ici 2022. Aujourd'hui, presque tout l'éthanol-carburant aux États-Unis est produit à partir de grains de maïs. Pour répondre à l'augmentation requise, les chercheurs se tournent vers d'autres sources, comme la cellulose, un glucide complexe présent dans toutes les plantes. Les feuilles et tiges de maïs, les graminées des prairies et les copeaux de bois sont les principaux candidats pour l'approvisionnement en cellulose. L'éthanol cellulosique présente de nombreux avantages par rapport à celui produit à partir de grains de maïs. La cellulose n'est pas seulement extrêmement abondante et peu coûteuse ; des études suggèrent également que la production et l'utilisation d'éthanol à partir de cellulose pourraient produire moins de gaz à effet de serre.
Cependant, le plus grand obstacle à la commercialisation de l'éthanol cellulosique est la dégradation de la cellulose. Les enzymes qui dégradent la cellulose, appelées cellulases, sont généralement produites par des microbes cultivés dans de grands bioréacteurs, un processus coûteux et énergivore. Afin de rendre l'éthanol cellulosique vraiment compétitif, nous devons vraiment réduire ces coûts, déclare Michael J. Blaylock, vice-président du développement de systèmes chez Edenspace, une entreprise de biotechnologie végétale basée à Manhattan, KS.
Mariam Sticklen, professeur de sciences des cultures et des sols à la Michigan State University, à East Lansing, a pensé qu'elle pourrait éliminer le coût de fabrication des enzymes en concevant des plants de maïs pour produire les enzymes elles-mêmes. Au lieu de compter sur le processus énergivore de leur production dans des bioréacteurs, les plantes utilisent l'énergie gratuite du soleil pour produire les enzymes, dit-elle.
Typiquement, la décomposition de la cellulose nécessite trois cellulases différentes. L'année dernière, Sticklen a signalé avoir modifié le maïs avec un gène pour une cellulase qui coupe les longues chaînes de cellulose en morceaux plus petits. Le gène provient d'un microbe qui vit dans une source chaude. Un mois plus tard, Sticklen a inséré un gène dérivé d'un champignon du sol dans le génome du maïs. Ce gène code pour une enzyme qui décompose les plus petits morceaux de cellulose en paires de molécules de glucose. Dans ce dernier effort, Sticklen a modifié le maïs pour produire une enzyme qui divise les paires de glucose en molécules de sucre individuelles ; l'enzyme est produite naturellement par un microbe qui vit dans l'estomac d'une vache. Le résultat final : trois souches de maïs, chacune produisant une enzyme indispensable à la décomposition complète de la cellulose.
Pour éviter la possibilité de transférer les gènes à d'autres cultures ou plantes sauvages, les enzymes ne sont produites que dans les feuilles et les tiges de la plante, pas dans ses graines, ses racines ou son pollen, explique Sticklen. De plus, pour empêcher le maïs de se digérer, elle a conçu les plantes de manière à ce que les enzymes ne s'accumulent que dans des compartiments de stockage spéciaux à l'intérieur des cellules, appelés vacuoles. Les cellulases ne sont libérées qu'après la récolte de la plante, lors de la transformation. Sticklen a décrit ses cultures modifiées la semaine dernière lors de la réunion nationale de l'American Chemical Society à la Nouvelle-Orléans.
Bien qu'il soit possible d'incorporer les trois gènes dans une seule plante, dit Sticklen, l'utilisation de trois variétés de maïs différentes, chacune portant un gène différent, lui permettra de contrôler la conversion de la cellulose en sucres. Des études préliminaires montrent que les enzymes sont tout aussi efficaces que les enzymes disponibles dans le commerce lorsqu'elles sont combinées dans un rapport de 1:4:1, dit-elle. Les résultats suggèrent que le mélange des trois plantes différentes en utilisant les mêmes ratios fournira le meilleur résultat.
Je pense que la stratégie consistant à compartimenter les enzymes dans les vacuoles est formidable, déclare Susan Leschine, microbiologiste à l'Université du Massachusetts à Amherst. La question que je me pose est la suivante : les enzymes fonctionnent-elles dans des conditions réalistes ? Par exemple, différentes espèces de microbes sécrètent leurs propres cellulases qui agissent en synergie pour éliminer les fibres de cellulose. On ne sait pas, dit Leschine, dans quelle mesure une enzyme extraite d'un microbe qui vit dans une source chaude fonctionnera avec une enzyme extraite d'un champignon du sol. Ces différentes enzymes peuvent ne pas être actives dans les mêmes conditions, dit-elle.
Edenspace, qui développe actuellement la technologie de Sticklen, prévoit de commencer les essais sur le terrain de son maïs génétiquement modifié dans l'année, dans le but de commercialiser la technologie dans les trois prochaines années, a déclaré Blaylock. L'entreprise n'est pas la seule à poursuivre cette stratégie : Agrivida, une entreprise de biotechnologie agricole basée à Medford, MA, modifie également génétiquement le maïs pour simplifier la production d'éthanol cellulosique.
C'est vraiment une voie intéressante à suivre, déclare Michael Ladisch, professeur de génie agricole et biologique à l'Université Purdue, à West Lafayette, IN. Cependant, à la fin de la journée, c'est plus compliqué qu'il n'y paraît. Le principal obstacle est de trouver des moyens de garantir que les enzymes survivront au prétraitement chimique et physique nécessaire pour éliminer la lignine - le polymère résistant des parois cellulaires qui donne de la force aux plantes - des fibres de cellulose, explique Ladisch, qui est actuellement en congé de Purdue pour servir de directeur technique chez Mascoma, une entreprise de biocarburants basée à Brighton, MA.
Une solution consiste à concevoir les plantes de manière à ce qu'elles ne nécessitent qu'un léger prétraitement. Par exemple, Sticklen travaille sur la réduction de la quantité de lignine contenue dans le maïs, ainsi que sur la modification de la configuration moléculaire de la lignine, ce qui faciliterait sa dégradation. Bien que son travail se concentre actuellement sur la modification du maïs, Sticklen dit que la technologie pourrait éventuellement être transférée à d'autres cultures, comme le panic raide.