Ingénierie des lentilles d’eau pour produire de l’huile pour les biocarburants, les bioproduits


Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’Énergie et des collaborateurs du Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) ont conçu des lentilles d’eau pour produire des rendements élevés en huile. L’équipe a ajouté des gènes à l’une des plantes aquatiques à la croissance la plus rapide de la nature pour « pousser » la synthèse des acides gras, « extraire » ces acides gras dans les huiles et « protéger » l’huile de la dégradation. Comme l’expliquent les scientifiques dans un article publié dans Biotechnologie Végétale Journalces lentilles d’eau riches en huile pourraient être facilement récoltées pour produire des biocarburants ou d’autres bioproduits.

L’article décrit comment les scientifiques ont conçu une souche de lentilles d’eau, Fer à souder, pour accumuler du pétrole à près de 10 % de sa biomasse en poids sec. C’est une augmentation spectaculaire de 100 fois par rapport à ces plantes poussant à l’état sauvage – avec des rendements plus de sept fois supérieurs à ceux du soja, la plus grande source de biodiesel d’aujourd’hui.

« La lentille d’eau pousse rapidement », a déclaré le biochimiste du Brookhaven Lab, John Shanklin, qui dirigeait l’équipe. « Il n’a que de minuscules tiges et racines – la majeure partie de sa biomasse se trouve donc dans des frondes ressemblant à des feuilles qui poussent à la surface des étangs du monde entier. Notre ingénierie crée une teneur élevée en huile dans toute cette biomasse.

« La culture et la récolte de cette lentille d’eau artificielle par lots et l’extraction de son huile pourraient être une voie efficace vers la production d’huile renouvelable et durable », a-t-il déclaré.

Deux avantages supplémentaires : en tant que plante aquatique, la lentille d’eau productrice d’huile ne concurrencerait pas les cultures vivrières pour les terres agricoles de qualité. Il peut même se développer sur les eaux de ruissellement des élevages de porcs et de volailles.

« Cela signifie que cette usine artificielle pourrait potentiellement nettoyer les flux de déchets agricoles car elle produit du pétrole », a déclaré Shanklin.

Tirer parti de deux instituts de recherche de Long Island

Le projet actuel a ses racines dans les recherches du laboratoire Brookhaven sur les lentilles d’eau des années 1970, dirigées par William S. Hillman du département de biologie. Plus tard, d’autres membres du département de biologie ont travaillé avec le groupe Martienssen à Cold Spring Harbor pour développer une méthode très efficace pour exprimer les gènes d’autres espèces dans les lentilles d’eau, ainsi que des approches pour supprimer l’expression des propres gènes des lentilles d’eau, comme souhaité.

Alors que les chercheurs de Brookhaven dirigés par Shanklin et Jorg Schwender au cours des deux dernières décennies ont identifié les facteurs biochimiques clés qui stimulent la production et l’accumulation d’huile dans les plantes, l’un des objectifs était de tirer parti de ces connaissances et des outils génétiques pour essayer de modifier la production d’huile végétale. Les dernières recherches, rapportées ici, ont testé cette approche en concevant des lentilles d’eau avec les gènes qui contrôlent ces facteurs de production d’huile pour étudier leurs effets combinés.

« Le projet actuel rassemble l’expertise de Brookhaven Lab dans la biochimie et la régulation de la biosynthèse des huiles végétales avec les capacités de pointe en génomique et en génétique de Cold Spring Harbor », a déclaré Shanklin.

L’un des gènes de production de pétrole identifié par les chercheurs de Brookhaven pousse la production des éléments de base du pétrole, connus sous le nom d’acides gras. Une autre tire, ou assemble, ces acides gras en molécules appelées triacylglycérols (TAG) – des combinaisons de trois acides gras qui se lient pour former les hydrocarbures que nous appelons les huiles. Le troisième gène produit une protéine qui recouvre les gouttelettes d’huile dans les tissus végétaux, protéger les empêcher de se dégrader.

À partir de travaux préliminaires, les scientifiques ont découvert que l’augmentation des niveaux d’acides gras déclenchée par le gène « push » peut avoir des effets néfastes sur la croissance des plantes. Pour éviter ces effets, le chercheur postdoctoral du Brookhaven Lab, Yuanxue Liang, a associé ce gène à un promoteur qui peut être activé par l’ajout d’une infime quantité d’un inducteur chimique spécifique.

« L’ajout de ce promoteur maintient le gène push désactivé jusqu’à ce que nous ajoutions l’inducteur, ce qui permet aux plantes de pousser normalement avant que nous n’activions la production d’acides gras/d’huile », a déclaré Shanklin.

Liang a ensuite créé une série de combinaisons de gènes pour exprimer les facteurs de poussée, de traction et de protection améliorés individuellement, par paires et tous ensemble. Dans le document, ceux-ci sont abrégés en W, D et O pour leurs noms biochimiques/génétiques, où W = pousser, D = tirer et O = protéger.

Les principaux résultats

La surexpression de chaque modification génique seule n’a pas augmenté de manière significative les niveaux d’acides gras dans Fer à souder frondes. Mais les plantes modifiées avec les trois modifications ont accumulé jusqu’à 16 % de leur poids sec sous forme d’acides gras et 8,7 % sous forme d’huile lorsque les résultats ont été moyennés sur plusieurs lignées transgéniques différentes. Les meilleures plantes ont accumulé jusqu’à 10 % de TAG, soit plus de 100 fois le niveau d’huile qui s’accumule dans les plantes de type sauvage non modifiées.

Certaines combinaisons de deux modifications (WD et DO) ont augmenté considérablement la teneur en acides gras et l’accumulation de TAG par rapport à leurs effets individuels. Ces résultats sont appelés synergiques, où l’effet combiné de deux gènes a augmenté la production plus que la somme des deux modifications distinctes.

Ces résultats ont également été révélés dans des images de gouttelettes lipidiques dans les frondes des plantes, produites à l’aide d’un microscope confocal au Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven Lab. Lorsque les frondes de lentilles d’eau ont été colorées avec un produit chimique qui se lie à l’huile, les images ont montré que les plantes avec chaque combinaison de deux gènes (OD, OW, WD) avaient une accumulation accrue de gouttelettes lipidiques par rapport aux plantes où ces gènes étaient exprimés individuellement – et également par rapport aux plantes témoins sans modification génétique. Les plantes des lignes OD et OWD avaient toutes deux de grosses gouttelettes d’huile, mais la ligne OWD en avait plus, produisant les signaux les plus forts.

« Les travaux futurs se concentreront sur les tests de poussée, d’attraction et de protection des facteurs provenant de diverses sources, en optimisant les niveaux d’expression des trois gènes inducteurs d’huile et en affinant le moment de leur expression », a déclaré Shanklin. « Au-delà de cela, nous travaillons sur la manière d’augmenter la production du laboratoire au niveau industriel. »

Ce travail de mise à l’échelle comporte plusieurs axes principaux :

1) concevoir les types de cuves de culture à grande échelle pour la culture des plantes modifiées,

2) optimiser les conditions de croissance à grande échelle, et

3) développer des méthodes pour extraire efficacement le pétrole à des niveaux élevés.

Ce travail a été financé par le DOE Office of Science (BER). Le CFN est également soutenu par le Bureau des sciences (BES).

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