La biologie synthétique pour booster la photosynthèse dans les cultures

Des chercheurs australiens ont créé de minuscules compartiments pour aider à stimuler la photosynthèse, augmentant ainsi potentiellement les rendements du blé et du riz tout en réduisant la consommation d’eau et d’azote.

Des chercheurs du groupe du professeur agrégé Yu Heng Lau à l’Université de Sydney et du groupe du professeur Spencer Whitney à l’Université nationale australienne ont passé cinq ans à s’attaquer à un problème fondamental : comment pouvons-nous faire en sorte que les plantes fixent le carbone plus efficacement ?

L’équipe a conçu des « bureaux » à l’échelle nanométrique pouvant héberger une enzyme appelée Rubisco dans un espace confiné, permettant aux scientifiques d’affiner la compatibilité pour une utilisation future dans les cultures, ce qui devrait leur permettre de produire des aliments avec moins de ressources. Leurs recherches sont publiées dans Communications naturelles.

Le rubisco est une enzyme courante dans les plantes qui est essentielle pour « fixer » le dioxyde de carbone pour la photosynthèse, le processus chimique qui utilise la lumière du soleil pour produire de la nourriture et de l’énergie pour les plantes.

“Bien qu’il soit l’une des enzymes les plus importantes sur Terre, Rubisco est étonnamment inefficace”, a déclaré le chercheur principal, le Dr Taylor Szyszka du Centre d’excellence ARC en biologie synthétique et de l’École de chimie de l’Université de Sydney.

“Rubisco est très lent et peut réagir par erreur avec l’oxygène au lieu du CO₂ ce qui déclenche un tout autre processus qui gaspille de l’énergie et des ressources. Cette erreur est si courante que d’importantes cultures vivrières telles que le blé, le riz, le canola et les pommes de terre ont mis au point une solution brutale : produire en masse du Rubisco”, a-t-elle déclaré.

Dans certaines feuilles, jusqu’à 50 % des protéines solubles ne sont que des copies de cette seule enzyme, ce qui représente une énorme dépense d’énergie et d’azote pour la plante. “C’est un goulot d’étranglement majeur dans l’efficacité avec laquelle les plantes peuvent pousser”, a déclaré Davin Wijaya, titulaire d’un doctorat. candidat à l’Université nationale australienne, qui a codirigé l’étude.

Certains organismes ont résolu ce problème il y a des millions d’années. Les algues et cyanobactéries abritent Rubisco dans des compartiments spécialisés et leur fournissent du CO concentré₂. Ils sont comme de minuscules bureaux à domicile qui permettent à l’enzyme de travailler plus rapidement et plus efficacement, avec tout ce dont elle a besoin à portée de main.

Les scientifiques tentent depuis des années d’installer ces CO naturels₂-concentration des systèmes dans les cultures. Mais même les plus simples de ces compartiments de cyanobactéries contenant du Rubisco, appelés carboxysomes, sont structurellement compliqués. Ils ont besoin de plusieurs gènes travaillant dans un équilibre précis et ne peuvent héberger que leur Rubisco natif.

L’équipe de Lau et Whitney a adopté une approche différente, en utilisant des encapsulines. Il s’agit de simples cages à protéines bactériennes qui ne nécessitent qu’un seul gène pour être construites. Pensez-y comme à des blocs Lego qui s’enclenchent automatiquement, plutôt que d’assembler des meubles compliqués en kit.

Pour charger Rubisco à l’intérieur, les chercheurs ont ajouté une courte « étiquette d’adresse » de 14 acides aminés à l’enzyme qui, comme un code postal, dirige l’enzyme vers sa destination à l’intérieur du compartiment d’assemblage.

L’équipe a testé trois variétés de Rubisco : une issue d’une plante et deux d’une bactérie. Ils ont constaté que le timing était important. Pour des formes plus complexes de l’enzyme, ils devaient d’abord construire Rubisco, puis construire l’enveloppe protéique autour de celui-ci.

“Rubisco ne s’est pas assemblé correctement en essayant de faire les deux en même temps”, a déclaré Wijaya.

Le Dr Szyszka a déclaré : « Un autre avantage intéressant de notre système est qu’il est modulaire. Les carboxysomes ne peuvent emballer que leur propre Rubisco, alors que notre système d’encapsuline peut emballer n’importe quel type.

“Le plus intéressant, c’est que nous avons découvert que les pores de la coque de l’encapsuline permettent l’entrée et la sortie du substrat et des produits Rubisco”, a-t-elle déclaré.

Les chercheurs soulignent qu’il ne s’agit que d’une preuve de concept. Ils doivent ajouter les composants supplémentaires qui donneront à Rubisco l’environnement haute performance dont il a besoin. Des expériences en usine à un stade précoce sont déjà en cours à l’ANU. “Nous savons que nous pouvons produire des encapsulines dans des bactéries ou des levures ; les fabriquer dans des plantes est la prochaine étape raisonnable. Nos résultats préliminaires semblent prometteurs”, a déclaré Wijaya.

En cas de succès, les cultures avec ce CO élevé₂-la technologie de fixation pourrait produire des rendements plus élevés tout en utilisant moins d’eau et d’engrais azotés. Il s’agit d’avantages essentiels alors que le changement climatique et la croissance démographique exercent une pression sur les systèmes alimentaires mondiaux.