Repenser la vie pour fabriquer de l'éthanol

Le 31 janvier, Ari Patrinos était assis dans son salon à Rockville, dans le Maryland, écoutant le discours sur l'état de l'Union et s'assoupissant lentement. Soudain, il se réveilla en sursaut.

Les colonies de bactéries Streptomyces recombinantes sont conçues pour produire des enzymes appelées cellulases. Avec ces enzymes, les bactéries peuvent décomposer la cellulose sur le chemin de la production d'éthanol. (Avec l'aimable autorisation de NREL/U.S. Dept. of Energy/Photo Researchers)

Nous financerons également des recherches supplémentaires sur des méthodes de pointe de production d'éthanol, a déclaré le président Bush à la télévision, non seulement à partir de maïs mais à partir de copeaux de bois et de tiges ou de panic raide. Notre objectif est de rendre ce nouveau type d'éthanol pratique et compétitif d'ici six ans.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2006

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Contrairement à la plupart des législateurs qui ont applaudi énergiquement les propos du président, Patrinos a compris exactement ce qu'ils voulaient dire. En fait, il les avait lui-même précipités quelques jours plus tôt à la demande pressée de son patron, ignorant qu'ils étaient destinés au discours sur l'état de l'Union. Patrinos, alors directeur associé du bureau de la recherche biologique et environnementale du département américain de l'Énergie, avait vanté l'éthanol cellulosique comme source d'énergie alternative pendant des années, pour être accueilli avec indifférence ou ridicule. Maintenant, semblait-il, même le plus pétro-amical des politiciens était convaincu.

La production d'éthanol-carburant à partir de la biomasse est attrayante pour un certain nombre de raisons. À une époque de flambée des prix du gaz et d'inquiétudes quant à la disponibilité à long terme de pétrole étranger, l'offre nationale de matières premières pour la fabrication de biocarburants semble presque illimitée. Pendant ce temps, la quantité de dioxyde de carbone déversée dans l'atmosphère chaque année par la combustion de combustibles fossiles devrait augmenter dans le monde d'environ 24 milliards de tonnes métriques en 2002 à 33 milliards de tonnes métriques en 2015. Brûler un gallon d'éthanol, en revanche, n'ajoute que peu au carbone total dans l'atmosphère, puisque le dioxyde de carbone dégagé dans le processus est à peu près égal à la quantité absorbée par les plantes utilisées pour produire le prochain gallon.

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L'utilisation de l'éthanol pour le carburant automobile n'est pas une idée nouvelle (voir Bounty du Brésil ) . Depuis la crise énergétique du début des années 1970, les incitations fiscales ont poussé la production d'éthanol à la hausse ; en 2005, il a atteint quatre milliards de gallons par an. Mais cela se traduit toujours par seulement 3 pour cent du carburant dans les réservoirs d'essence américains. L'une des raisons de l'utilisation limitée de l'éthanol est qu'aux États-Unis, il est fabriqué presque exclusivement à partir de fécule de maïs ; le processus est inefficace et concurrence d'autres utilisations agricoles du maïs. Bien qu'il soit relativement facile de convertir l'amidon des grains de maïs en sucres nécessaires à la production d'éthanol, le rendement en carburant est faible par rapport à la quantité d'énergie nécessaire pour élever et récolter les cultures. Le traitement de l'éthanol à partir de la cellulose - paille de blé et de riz, panic raide, pâte à papier, déchets agricoles comme les rafles et les feuilles de maïs - a le potentiel de tirer au moins deux fois plus de carburant de la même superficie, car beaucoup plus de biomasse est disponible par acre. De plus, une telle approche utiliserait des matières premières qui sont autrement essentiellement sans valeur.

La conversion de la cellulose en éthanol implique deux étapes fondamentales : la rupture des longues chaînes de molécules de cellulose en glucose et autres sucres, et la fermentation de ces sucres en éthanol. Dans la nature, ces processus sont effectués par différents organismes : des champignons et des bactéries qui utilisent des enzymes (cellulases) pour libérer le sucre dans la cellulose, et d'autres microbes, principalement des levures, qui fermentent les sucres en alcool.

En 2004, Iogen, une entreprise canadienne de biotechnologie basée à Ottawa, a commencé à vendre de modestes quantités d'éthanol cellulosique, fabriqué à partir de paille de blé tendre comme matière première et d'un champignon tropical génétiquement amélioré pour hyperproduire ses enzymes de digestion de la cellulose. Mais Iogen estime que sa première usine commerciale à grande échelle, pour laquelle elle espère ouvrir la voie en 2007, coûtera 300 millions de dollars, soit cinq fois le coût d'une usine conventionnelle d'éthanol alimentée au maïs de taille similaire.

Plus on peut manipuler les microbes producteurs d'éthanol pour réduire le nombre d'étapes du processus de conversion, plus les coûts seront bas, et plus vite l'éthanol cellulosique deviendra commercialement compétitif. Dans la production conventionnelle, par exemple, l'éthanol doit être continuellement retiré des réacteurs de fermentation, car les levures ne peuvent pas en tolérer trop. Greg Stephanopoulos du MIT, professeur de génie chimique, a mis au point une levure qui peut tolérer 50 % d'éthanol en plus. Mais, dit-il, un tel génie génétique implique plus qu'un simple épissage d'un gène ou deux. La question n'est pas de savoir si nous pouvons fabriquer un organisme qui fabrique de l'éthanol, dit Stephanopoulos. C'est ainsi que nous pouvons concevoir tout un réseau de réactions pour convertir différents sucres en éthanol avec des rendements et des productivités élevés. La tolérance à l'éthanol est une propriété du système, pas un seul gène. Si nous voulons augmenter le rendement global, nous devons manipuler de nombreux gènes en même temps.

L'organisme idéal ferait tout : décomposer la cellulose comme une bactérie, fermenter le sucre comme une levure, tolérer des concentrations élevées d'éthanol et consacrer la plupart de ses ressources métaboliques à la production d'éthanol uniquement. Il existe deux stratégies pour créer un bogue aussi polyvalent. L'une consiste à modifier un microbe existant en ajoutant les voies génétiques souhaitées provenant d'autres organismes et en éliminant celles qui sont indésirables ; l'autre est de commencer avec la table rase d'une cellule synthétique dépouillée et de construire un génome personnalisé presque à partir de zéro.

Lee Lynd, professeur d'ingénierie à l'Université de Dartmouth, parie sur la première approche. Lui et ses collègues veulent regrouper en une seule les nombreuses étapes à médiation biologique impliquées dans la production d'éthanol. Il s'agit d'une percée potentiellement révolutionnaire dans le traitement à faible coût de la biomasse cellulosique, dit-il. La stratégie pourrait impliquer soit de modifier un organisme qui métabolise naturellement la cellulose afin qu'il produise des rendements élevés d'éthanol, soit de concevoir un producteur d'éthanol naturel pour qu'il métabolise la cellulose.

En mai dernier, Lynd et ses collègues ont fait état d'avancées sur les deux fronts. Une équipe de l'Université de Stellenbosch en Afrique du Sud qui avait collaboré avec Lynd a annoncé qu'elle avait conçu une levure qui peut survivre sur la seule cellulose, décomposant les molécules complexes et fermentant les sucres simples résultants en éthanol. Dans le même temps, le groupe de Lynd a signalé avoir conçu une bactérie thermophile – une bactérie qui vit naturellement dans des environnements à haute température – dont le seul produit de fermentation est l'éthanol. D'autres organismes ont été conçus pour effectuer des tours de passe-passe similaires à des températures normales, mais le microbe recombinant de Lynd le fait aux températures élevées où les cellulases commerciales fonctionnent le mieux. Nous sommes beaucoup plus proches de l'utilisation commerciale que les gens ne le pensent, déclare Lynd, qui commercialise la technologie avancée de l'éthanol chez Mascoma, une startup de Cambridge, MA.

D'autres poursuivent une approche beaucoup plus radicale. Peu de temps après le discours sur l'état de l'Union, Patrinos a quitté le DOE pour devenir président de Synthetic Genomics, une startup de Rockville, dans le Maryland, fondée par Craig Venter, le biologiste iconoclaste qui a dirigé l'effort privé pour décoder le génome humain. La génomique synthétique est à la poursuite d'une bactérie qui fera tout, comme le dit Venter. Grâce au financement de la génomique synthétique, les scientifiques du J. Craig Venter Institute ajoutent et soustraient des gènes d'organismes naturels à l'aide des techniques de recombinaison employées par d'autres ingénieurs microbiens. A terme, cependant, Venter mise sur une approche plus à la hauteur de sa réputation de précurseur. Plutôt que de modifier des organismes existants pour produire de l'éthanol et d'autres biocarburants potentiels, il souhaite en construire de nouveaux.

La sélection naturelle, soutient Venter, ne conçoit pas de formes de vie pour exécuter efficacement les fonctions innombrables codées par leurs gènes, et encore moins pour effectuer une tâche dédiée comme la production d'éthanol. Par conséquent, une quantité énorme d'efforts et de dépenses est consacrée à la recherche d'un moyen de fermer les voies génétiques complexes, souvent redondantes, que des milliards d'années d'évolution ont gravées dans les organismes. Pourquoi ne pas commencer avec un génome qui n'a que le nombre minimal de gènes nécessaires pour maintenir la vie et y ajouter ce dont vous avez besoin ? Avec une cellule synthétique, vous n'avez que les voies dans lesquelles vous voulez être, dit-il.

L'approche de la génomique synthétique est basée sur les recherches menées par l'Institut de recherche en génomique de Venter sur un micro-organisme appelé Mycoplasme génital à la fin des années 1990. Le microbe, qui habite les voies urinaires humaines, ne possède que 517 gènes. Bien qu'il s'agisse du plus petit génome observé dans n'importe quelle forme de vie connue, les chercheurs du groupe de Venter ont montré que l'organisme pouvait survivre même après avoir éliminé près de la moitié de ses gènes codant pour les protéines (certains gènes ne codent pas pour des protéines mais pour d'autres biomolécules régulatrices fonctions au sein de la cellule). En utilisant la séquence d'ADN de ce génome minimal comme guide, ils tentent maintenant de synthétiser un chromosome artificiel qui, inséré dans une cellule évidée, conduira à une forme de vie viable. Une fois ce premier obstacle franchi, ils prévoient de créer des voies génétiques synthétisées et spécifiques à une tâche dans le génome, un peu comme on pourrait charger un logiciel sur le système d'exploitation d'un ordinateur. Plutôt que de créer des feuilles de calcul ou de faire du traitement de texte, un tel logiciel biologique demanderait à la cellule de décomposer la cellulose pour produire de l'éthanol ou effectuer d'autres fonctions utiles. Il s'agit d'un domaine totalement nouveau au bord de l'explosion, dit Venter.

Parmi les biocarburants, l'éthanol est le précurseur établi, mais divers types de microbes produisent également de l'hydrogène, du méthane, du biodiesel et même de l'électricité, ce qui signifie qu'ils pourraient être génétiquement modifiés pour produire davantage de ces ressources. À l'Université de Californie à Berkeley, le bio-ingénieur Jay Keasling et ses collègues proposent de concevoir des organismes qui pompent un carburant qu'aucun microbe naturel ne fabrique, un carburant qui offre des avantages séduisants par rapport à l'éthanol : l'essence. Ses vertus en tant que combustible sont bien sûr prouvées et la capacité de le produire à partir de déchets de bois et de vieux papiers, ce que Keasling pense réalisable, pourrait réduire la dépendance des pays vis-à-vis du pétrole étranger. Et contrairement à l'éthanol, qui est soluble dans l'eau et doit être transporté dans des camions de peur qu'il ne ramasse de l'eau dans les tuyaux, l'octane généré biologiquement pourrait être acheminé de manière économique aux consommateurs, tout comme le gaz d'aujourd'hui.

L'éthanol a sa place, mais ce n'est probablement pas le meilleur carburant à long terme, dit Keasling. Les gens l'utilisent depuis longtemps pour faire du vin et de la bière. Mais nous n'avons aucune raison de nous contenter d'un carburant vieux de 5 000 ans.

À court terme, certains progrès en biologie et en ingénierie sont nécessaires avant que les combustibles fabriqués à partir de la biomasse soient pratiques et compétitifs avec les combustibles fossiles. Mais à plus long terme, dit Venter, nous sommes principalement limités par notre imagination, pas par les limites de la biologie.

Le livre le plus récent de Jamie Shreeve est La guerre du génome .

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