Dans une nouvelle biologie

Les cellules de tous les organismes vivants sont alimentées par le même carburant chimique : l’adénosine triphosphate (ATP). Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé un moyen de générer de l’ATP directement à partir de l’électricité, ce qui pourrait dynamiser les processus biotechnologiques qui produisent tout, des aliments aux carburants en passant par les produits pharmaceutiques.

Il est notoirement difficile de relier la technologie électronique moderne à la biologie. L’une des principales pierres d’achoppement est que la manière dont ils sont alimentés est très différente. Alors que la plupart de nos gadgets fonctionnent grâce aux électrons, la nature dépend de l’énergie libérée lorsque les liaisons chimiques de l’ATP sont rompues. Trouver des moyens de convertir entre ces deux monnaies énergétiques très différentes pourrait être utile pour une multitude de biotechnologies.

Les microbes génétiquement modifiés sont déjà utilisés pour produire divers produits chimiques de grande valeur et des protéines thérapeutiquement utiles, et on espère qu’ils pourraient bientôt contribuer à produire du carburéacteur plus écologique, à décomposer les déchets plastiques et même à cultiver de nouveaux aliments dans des bioréacteurs géants. Mais à l’heure actuelle, ces processus sont alimentés par un processus inefficace de croissance de la biomasse, de conversion en sucre et de transmission aux microbes.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre en Allemagne ont mis au point un moyen beaucoup plus direct d'alimenter les processus biologiques. Ils ont créé une voie métabolique artificielle capable de convertir directement l’électricité en ATP à l’aide d’un cocktail d’enzymes. Et surtout, le processus fonctionne in vitro et ne repose pas sur la machinerie native des cellules.

"Injecter de l'électricité directement dans les réactions chimiques et biochimiques constitue une véritable avancée", a déclaré Tobias Erb, qui a dirigé la recherche, dans un communiqué de presse. «Cela permettra la synthèse de ressources précieuses et riches en énergie, telles que l'amidon, les biocarburants ou les protéines, à partir de simples éléments constitutifs cellulaires, voire à l'avenir à partir du dioxyde de carbone.» Il pourrait même être possible d’utiliser des molécules biologiques pour stocker de l’énergie électrique.

Dans la nature, l’ATP et sa molécule sœur, l’adénosine diphosphate (ADP), peuvent être considérées comme des piles. L'ATP est comme une batterie chargée, stockant de l'énergie dans ses liaisons chimiques. Si une cellule a besoin de dépenser cette énergie, elle rompt l'un des trois groupes phosphate de la molécule et l'énergie liée à cette liaison chimique peut alors alimenter certains processus cellulaires.

Ce processus convertit la molécule d'ATP en ADP, qui peut être considérée comme une batterie vide. Pour la recharger, la cellule doit utiliser l’énergie provenant de la nourriture ou de la photosynthèse pour rajouter un groupe phosphate sur la molécule d’ADP, la transformant ainsi en ATP.

Mais ce processus de recharge repose sur une séquence complexe de réactions impliquant divers complexes protéiques intégrés dans la membrane cellulaire. La réingénierie de ce système pour qu'il fonctionne à l'extérieur d'une cellule est un défi car elle nécessite que les différentes protéines soient soigneusement orientées dans une membrane artificielle, ce qui la rend à la fois capricieuse et fragile.

La nouvelle approche, décrite dans un article paru dans Joule, est beaucoup plus simple. Surnommé « cycle AAA », il implique seulement quatre enzymes interagissant dans une solution. L’ingrédient clé qui a rendu tout cela possible a été la découverte d’une enzyme appelée aldéhyde ferrédoxine oxydoréductase (AOR) dans une bactérie récemment découverte appelée Aromaticum aromatoleum, capable de décomposer le pétrole.

Cette enzyme est capable de prélever les électrons d’une électrode et de lier leur énergie dans une liaison aldéhyde qui est ajoutée à un précurseur chimique appelé propionate. Ceci est ensuite transmis en cascade à trois autres enzymes qui agissent sur le produit chimique et utilisent finalement l'énergie qui y est stockée pour convertir l'ADP en ATP. À la fin, une molécule de propionate apparaît qui peut ensuite être réinjectée dans le cycle.

"Le simple cycle AAA est une approche intelligente et élégante… qui est beaucoup plus simple que la façon dont la biologie produit naturellement l'ATP", a déclaré Drew Endy, biologiste synthétique à l'Université de Stanford, à Science. Il a ajouté que cela pourrait être un facteur clé pour rendre possible « l’électrobiosynthèse », l’idée d’utiliser l’électricité pour alimenter directement la synthèse de produits chimiques utiles par les cellules.