En utilisant l’évolution comme principe directeur, les chercheurs ont réussi à créer des hybrides bactéries-levures capables d’assimiler le carbone par la photosynthèse, de générer de l’énergie cellulaire et de favoriser la croissance des levures sans recourir aux matières premières carbonées traditionnelles comme le glucose ou le glycérol. En créant des cyanobactéries photosynthétiques capables de vivre en symbiose à l’intérieur des cellules de levure, les hybrides bactéries-levures peuvent produire d’importants hydrocarbures, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles voies biotechnologiques vers l’énergie non issue du pétrole, d’autres applications de la biologie synthétique et l’étude expérimentale de l’évolution.
Toutes les cellules dotées d'un noyau abritent également une variété d'organites – comme les mitochondries et les chloroplastes – qui remplissent des fonctions spécifiques et contiennent leur propre ADN. Les chercheurs ont longtemps émis l'hypothèse que les formes de vie complexes naissaient lorsqu'un de ces types de cellules fusionnait avec un autre dans un processus appelé endosymbiose.
Angad Mehta, professeur, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign
Dans une étude précédente, l'équipe de Mehta avait montré que des chimères cyanobactéries-levures générées en laboratoire, ou endosymbiotes, pouvaient fournir à la levure de l'ATP généré par photosynthèse, mais pas de sucres. Dans la nouvelle étude, l'équipe a conçu des cyanobactéries pour décomposer les sucres et sécréter du glucose, puis les a combinées avec des cellules de levure pour créer des chimères capables de se développer en présence de CO2, en utilisant le sucre et l'énergie produits par les bactéries.
Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nature Communications.
Armée de la capacité de transformer un organisme non photosynthétique en une forme de vie chimérique photosynthétique, l'équipe a concentré ses recherches sur la détermination de la manière dont ces chimères pourraient être utilisées pour créer de nouvelles voies métaboliques capables de produire des produits de valeur comme le limonène, un composé hydrocarboné simple présent dans les agrumes, dans des conditions photosynthétiques.
« Le limonène est une molécule relativement simple mais importante, qui bénéficie d'un vaste marché », a déclaré Mehta, qui est également affilié à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique. « Cette étude de validation de principe nous montre que nous pouvons concevoir des voies dans nos hybrides pour produire par photosynthèse du limonène, qui appartient à une classe de molécules appelées terpénoïdes, qui sont également des précurseurs de nombreux composés de grande valeur tels que les carburants, les médicaments anticancéreux et antipaludiques. »
Mehta a déclaré que leurs objectifs pour cette ligne de recherche sont de déterminer si leur méthode peut produire des composés plus complexes, comme des carburants et des produits pharmaceutiques, et si tel est le cas, de travailler à la mise à l'échelle du processus pour qu'il soit commercialisable.
« Je pense qu’il serait formidable d’arriver à un point où nous pourrions garantir que chaque particule de carbone dans un composé de grande valeur provienne du CO2 », a déclaré Mehta. « Cela pourrait être une façon de recycler les déchets de CO2 à l’avenir ».
L'équipe a également déclaré que dans sa quête de compréhension et de perfectionnement des systèmes endosymbiotiques pour faire progresser la biotechnologie, elle répondra également à de nombreuses questions fondamentales sur l'évolution. « Cela se produira que nous le voulions ou non », a déclaré Mehta. « Nous gardons toujours un œil sur la manière dont notre travail peut résoudre certains des mystères de l'évolution de la vie. À mon avis, la meilleure façon de concevoir des systèmes endosymbiotiques sera de recréer le processus d'évolution en laboratoire. Trouver des réponses à certaines des plus grandes questions de la biologie viendra naturellement. »
Les chercheurs de l'Illinois Yang-le Gao, Jason Cournoyer, Bidhan De, Catherine Wallace, Alexander Ulanov et Michael La Frano ont également participé à cette étude. Les National Institutes of Health ont soutenu cette recherche.
