Weizmann Institute (Israël) : carburants neutres en carbone, les bactéries passent à la consommation de CO2

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Les bactéries étudiées dans le laboratoire du professeur Ron Milo de l’Institut Weizmann des Sciences ont renoncé au sucre, elles ont cessé de consommer tous les aliments solides normaux, pour se concentrer sur le dioxyde de carbone (CO₂) dans leur environnement. Autrement dit, elles sont en mesure de constituer toute leur biomasse à partir de l’air. Cet exploit implique près d’une décennie de conception rationnelle, de génie génétique et une version accélérée d’évolution en laboratoire. Les résultats soulignent les moyens de développer, à l’avenir, des carburants neutres en carbone.

De telles bactéries pourraient, à l’avenir, contribuer à de nouvelles technologies plus efficaces en termes de bilan carbone.

L’étude a commencé par identifier les gènes cruciaux dans le processus de fixation du carbone – la façon dont les plantes captent le carbone du CO₂ dans le but de le transformer en molécules biologiques telles que les protéines, l’ADN, etc. L’équipe de recherche a ajouté et recâblé les gènes nécessaires. Ils ont découvert que bon nombre de « pièces » de cette machinerie étaient déjà présentes dans le génome bactérien et pouvaient être utilisées telles quelles. Ils ont également inséré un gène permettant aux bactéries d’obtenir de l’énergie à partir d’une substance largement disponible appelée formate, cette substance pouvant être produite directement à partir de l’électricité et de l’air est en mesure de « céder » des électrons aux bactéries.

Il s’est avéré que doter les bactéries avec des « moyens de production » ne suffisait pas pour effectuer un tel changement. Il fallait encore une autre astuce pour que les bactéries utilisent ces machines correctement, ce qui impliquait un délicat exercice d’équilibrage. Avec Roee Ben-Nissan, Yinon Bar-On et d’autres membres de l’équipe de Milo du Département des Sciences Végétales et Environnementales de l’Institut, Gleizer a utilisé l’évolution en laboratoire, dans la mesure où cette technique est connue ; en substance, les bactéries ont été progressivement sevrées du sucre qu’elles avaient l’habitude de consommer. À chaque étape, les bactéries cultivées ont reçu juste suffisamment de sucre pour les empêcher de mourir de faim, ainsi qu’une grande quantité de CO₂ et de formate. Pendant que certaines « apprenaient » à développer un goût pour le CO₂ (en leur donnant un avantage évolutif par rapport à celles restreintes au sucre), leurs descendants ont reçu de moins en moins de sucre jusqu’à ce qu’après environ un an d’adaptation au nouveau régime, certaines d’entre elles ont finalement opéré un basculement complet, en vivant et en se multipliant dans un environnement offrant un CO₂ pur.

Pour vérifier si les bactéries ne « grignotaient » pas d’autres nutriments, certains des E. coli développés ont été nourris avec du CO₂ contenant un isotope lourd – C¹³. Ensuite, les parties bactériennes du corps ont été pesées et le poids gagné a été comparé à la masse qui se serait ajoutée par une alimentation basée sur une version plus lourde de carbone. L’analyse a montré que les atomes de carbone dans le corps des bactéries étaient tous extraits directement du CO₂ uniquement.

L’équipe de recherche a ensuite entrepris de caractériser les bactéries nouvellement développées.  Quels changements ont été essentiels pour s’adapter à ce nouveau régime ? Alors que certaines modifications génétiques identifiées ont pu être liées à la survie à la faim, d’autres ont semblé réguler la synchronisation des étapes de la fabrication de blocs de construction par accumulation de CO₂. « La cellule doit trouver un équilibre entre la congestion toxique et la faillite », explique Bar-On. Pourtant, d’autres changements notés par l’équipe concernaient la transcription – la régulation de l’activation et de la désactivation des gènes existants. « Des recherches plus approfondies permettront, espérons-le, de savoir exactement comment ces gènes ont ajusté leurs activités », explique Ben-Nissan.

Les chercheurs sont d’avis que le nouveau « coup de pouce » de la bactérie pourrait finalement être sain pour la planète. Milo souligne qu’aujourd’hui, les sociétés de biotechnologie utilisent des cultures cellulaires pour produire des produits chimiques de base. Ces cellules – levures ou bactéries – pourraient être amenées à vivre avec un régime de CO₂ et d’électricité renouvelable, et ainsi être sevrées des grandes quantités de sirop de maïs sur lesquelles elles vivent aujourd’hui. Les bactéries pourraient s’adapter davantage de sorte que plutôt que de prendre leur énergie d’une substance telle que le formate, elles pourraient être en mesure de l’obtenir directement – par les électrons d’un capteur solaire – et de stocker cette énergie par la suite pour une utilisation ultérieure comme combustible sous la forme de carbone fixé dans leurs cellules. Un tel carburant serait neutre en carbone si la source de son carbone était le CO₂ atmosphérique.

« Notre laboratoire a été le premier à poursuivre l’idée de modifier le régime alimentaire d’un hétérotrophe normal (qui mange des substances organiques) pour le convertir en autotrophie (« vivre dans l’air ») », explique Ron Milo. « Cela paraissait impossible au départ, mais nous avons tiré de nombreuses leçons en cours de route, et à la fin, nous avons montré que cela pouvait s’avérer effectivement possible. Nos résultats sont une étape importante vers notre objectif d’applications scientifiques efficaces et écologiques. »

Publication dans Cell,

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Bacteria in the lab of Prof. Ron Milo of the Weizmann Institute of Science have not just sworn off sugar – they have stopped eating all of their normal solid food, existing instead on carbon dioxide (CO₂) from their environment. That is, they were able to build all of their biomass from air. This feat, which involved nearly a decade of rational design, genetic engineering and a sped-up version of evolution in the lab, was reported this week in Cell. The findings point to means of developing, in the future, carbon-neutral fuels.

The study began by identifying crucial genes for the process of carbon fixation – the way plants take carbon from CO₂ for the purpose of turning it into such biological molecules as protein, DNA, etc. The research team added and rewired the needed genes. They found that many of the “parts” for the machinery that were already present in the bacterial genome could be used as is. They also inserted a gene that allowed the bacteria to get energy from a readily available substance called formate that can be produced directly from electricity and air and which is apt to “give up” electrons to the bacteria.

Just giving the bacteria the “means of production” was not enough, it turned out, for them to make the switch. There was still a need for another trick to get the bacteria to use this machinery properly, and this involved a delicate balancing act. Together with Roee Ben-Nissan, Yinon Bar-On and other members of Milo’s team in the Institute’s Plant and Environmental Sciences Department, Gleizer used lab evolution, as the technique is known; in essence, the bacteria were gradually weaned off the sugar they were used to eating. At each stage, cultured bacteria were given just enough sugar to keep them from complete starvation, as well as plenty of CO₂ and formate. As some “learned” to develop a taste for CO₂ (giving them an evolutionary edge over those that stuck to sugar), their descendants were given less and less sugar until after about a year of adapting to the new diet some of them eventually made the complete switch, living and multiplying in an environment that served up pure CO₂.

To check whether the bacteria were not somehow “snacking” on other nutrients, some of the evolved E. coli were fed CO₂ containing a heavy isotope – C13. Then the bacterial body parts were weighed, and the weight they had gained checked against the mass that would be added from eating the heavier version of carbon. The analysis showed the carbon atoms in the body of the bacteria were all extracted directly from CO₂ alone.

The research team then set out to characterize the newly-evolved bacteria. What changes were essential to adapting to this new diet? While some of the genetic changes they identified may have been tied to surviving hunger, others appeared to regulate the synchronization of the steps of making building blocks through accumulation from CO₂. “The cell needs to balance between toxic congestion and bankruptcy,” says Bar-On. Yet other changes the team noted had to do with transcription – regulating how existing genes are turned on and off. “Further research will hopefully uncover exactly how these genes have adjusted their activities,” says Ben-Nissan.

The researchers believe that the bacteria’s new “health kick” could ultimately be healthy for the planet. Milo points out that today, biotech companies use cell cultures to produce commodity chemicals. Such cells – yeast or bacteria – could be induced to live on a diet of CO₂ and renewable electricity, and thus be weaned from the large amounts of corn syrup they live on today. Bacteria could be further adapted so that rather than taking their energy from a substance such as formate, they might be able to get it straight up — say electrons from a solar collector – and then store that energy for later use as fuel in the form of carbon fixed in their cells. Such fuel would be carbon-neutral if the source of its carbon was atmospheric CO₂.

“Our lab was the first to pursue the idea of changing the diet of a normal heterotroph (one that eats organic substances) to convert it to autotrophism (‘living on air’),” says Milo. “It sounded impossible at first, but it has taught us numerous lessons along the way, and in the end we showed it indeed can be done. Our findings are a significant milestone toward our goal of efficient, green scientific applications.”

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