Les bactéries transforment les déchets plastiques en analgésiques

Plus tôt cette année, une nouvelle méthode extraordinaire d'utilisation des déchets plastiques a fait la une des journaux.

Une bactérie courante a été génétiquement modifiée pour ingérer une molécule dérivée du plastique, puis la digérer pour produire un analgésique courant, le paracétamol.

Le microbe utilisé par Stephen Wallace, professeur de biotechnologie chimique à l'Université d'Édimbourg, était Escherichia coli, plus connu sous le nom d'E. coli.

Cette bactérie en forme de bâtonnet est présente dans les intestins des humains et des animaux, et vous la connaissez peut-être mieux comme un microbe désagréable qui peut nous rendre malades.

Le professeur Wallace l'a choisi automatiquement car certaines souches d'E. coli non pathogènes sont largement utilisées dans les laboratoires de biotechnologie et d'ingénierie biologique pour tester l'efficacité d'un produit.

E. coli est le principal « cheval de bataille » du domaine, explique le professeur Wallace, qui l'a également génétiquement modifié en laboratoire pour transformer les déchets plastiques en arôme de vanille et les déchets de Fatberg des égouts en parfum.

« Si l'on veut prouver que la biologie est possible, E. coli est une première étape naturelle », affirme-t-il.

L'utilisation de ce microbe ne se limite pas au laboratoire. À l'échelle industrielle, des cuves d'E. coli génétiquement modifiés fonctionnent comme des usines vivantes produisant une variété de produits, allant de produits pharmaceutiques comme l'insuline, essentielle à la gestion du diabète, à divers produits chimiques de base utilisés pour la fabrication de carburants et de solvants.

Mais comment E. coli est-elle devenue un pilier de la biotechnologie ? Pourquoi est-elle si utile et quel avenir pourrait-elle lui réserver ?

La prédominance d'E. coli tient à son rôle d'organisme modèle pour la compréhension des principes biologiques généraux, explique Thomas Silhavy, professeur de biologie moléculaire à l'Université de Princeton, qui étudie la bactérie depuis une cinquantaine d'années et a documenté son histoire.

D'autres organismes modèles connus incluent la souris, la drosophile et la levure de boulanger. La levure, comme E. coli, est également devenue un outil précieux en biotechnologie, tant en laboratoire qu'à l'échelle industrielle, mais sa structure cellulaire est plus complexe et ses applications sont différentes.

E. coli a été isolée pour la première fois en 1885 par un pédiatre allemand, Theodor Escherich, qui étudiait le microbiote intestinal du nourrisson. Grâce à sa croissance rapide et à sa facilité d'utilisation, les scientifiques ont commencé à l'utiliser pour étudier la biologie bactérienne fondamentale.

Puis, dans les années 1940, un heureux hasard lui a donné un essor considérable, explique le professeur Silhavy.

Une souche d'E. coli non pathogène (K-12) a été utilisée pour démontrer que les bactéries ne se divisaient pas simplement, mais pouvaient se reproduire par « sexe bactérien », partageant et recombinant des gènes pour acquérir de nouveaux caractères.

Ce fut une découverte historique et E. coli est devenu « l'organisme préféré de tous », dit-il.

E. coli a ainsi joué un rôle central dans de nombreuses autres découvertes et avancées majeures en génétique et en biologie moléculaire.

Elle a permis de déchiffrer le code génétique et, dans les années 1970, elle est devenue le premier organisme génétiquement modifié par insertion d'ADN étranger, posant ainsi les bases de la biotechnologie moderne.

Elle a également résolu un problème de production d'insuline. L'insuline bovine et porcine était utilisée pour traiter le diabète, mais provoquait des réactions allergiques chez certains patients.

Mais en 1978, la première insuline humaine synthétique a été produite à partir d'E. coli, une avancée majeure.

En 1997, cette bactérie est devenue l'un des premiers organismes dont le génome entier a été séquencé, facilitant ainsi sa compréhension et sa manipulation.

Adam Feist, professeur à l'Université de Californie à San Diego, qui développe des microbes pour des applications industrielles, affirme apprécier E. coli pour ses nombreuses caractéristiques utiles.

Au-delà des vastes connaissances accumulées sur sa génétique et des outils qui facilitent sa manipulation, cette bactérie se développe rapidement et de manière prévisible sur une grande variété de substrats. Elle n'est pas « capricieuse » comme certaines autres, peut être congelée et réactivée sans problème et est exceptionnellement douée pour héberger de l'ADN étranger.

« Plus je travaille avec des micro-organismes, plus j'apprécie la robustesse d'E. coli », explique-t-il.

Cynthia Collins est directrice principale chez Ginkgo Bioworks, une entreprise qui accompagne les entreprises dans le développement de leurs produits biotechnologiques et les a aidées à utiliser E. coli à l'échelle industrielle.

Si le choix d'organismes disponibles pour la production à grande échelle est plus large qu'il y a quelques décennies – où E. coli était souvent le seul choix –, il peut souvent rester un « bon choix » selon le produit, explique le Dr Collins. (Même avec la bio-ingénierie la plus poussée, E. coli ne peut pas tout produire.)

« C'est très économique ; on peut produire beaucoup de choses », explique-t-elle, soulignant que si la bactérie produit quelque chose de toxique pour les cellules, une tolérance peut souvent être instaurée.

Pourtant, certains se demandent si la prédominance d'E. coli ne nous empêche pas de trouver les meilleures solutions biotechnologiques à nos problèmes.

Paul Jensen, microbiologiste et ingénieur à l'Université du Michigan, étudie les bactéries qui vivent dans notre bouche. Il a récemment analysé à quel point la plupart des autres bactéries ont été sous-étudiées par rapport à E. coli.

Son argument est le suivant : alors que nous progressons dans l'ingénierie d'E. coli pour réaliser des choses remarquables, il pourrait exister d'autres microbes qui font ces choses naturellement – ​​et mieux – mais qui ne sont pas étudiés et dont nous ne bénéficions pas, car ils ne sont ni recherchés ni étudiés.

La bioprospection dans les décharges, par exemple, pourrait révéler des microbes qui ont commencé à se nourrir non seulement de plastique, mais aussi de toutes sortes d'autres déchets, explique-t-il. Et il pourrait exister des bactéries qui font des choses – comme la fabrication de ciment ou de caoutchouc – que nous n'avons même pas imaginées. À elles seules, les bactéries qui vivent dans notre bouche surpassent E. coli en termes de tolérance à l'acidité, note-t-il. « Nous sommes tellement en proie à la maladie d'E. coli que nous n'enquêtons pas suffisamment », dit-il.

Des alternatives sont en cours d'élaboration pour accroître les options, notamment Vibrio natriegens (V. nat), qui commence à attirer l'attention en tant que concurrent potentiel d'E. coli.

V. nat a été isolé pour la première fois dans un marais salant de l'État américain de Géorgie dans les années 1960, mais est resté largement négligé dans les collections de cultures et les congélateurs jusqu'au milieu des années 2010, date à laquelle il a été reconnu pour sa vitesse de croissance ultra-rapide – deux fois supérieure à celle d'E. coli – ce qui pourrait constituer un avantage industriel significatif.

Il est également beaucoup plus efficace pour absorber l'ADN étranger, explique Buz Barstow, ingénieur en biologie et environnement à l'Université Cornell, qui fait partie des développeurs de l'organisme. Il affirme que ses capacités, comparées à celles d'E. coli, sont comparables à celles d'un cheval.

Le Dr Barstow s'intéresse particulièrement à V. nat, car il souhaite que les microbes soient utilisés pour relever les grands défis du développement durable, de la production de kérosène à partir de dioxyde de carbone et d'électricité verte à l'extraction de métaux des terres rares. « Pour faire simple, E. coli ne nous permettra pas de concrétiser ces visions. V. natriegens, si », dit-il.

Cette année, son laboratoire a créé une entreprise, Forage Evolution, qui travaille sur des outils permettant aux chercheurs de l'intégrer plus facilement en laboratoire.

V. nat présente certes des propriétés intéressantes, reconnaît le professeur Feist, mais les outils génétiques nécessaires à une utilisation à grande échelle font encore défaut et il doit encore faire ses preuves à grande échelle. « E. coli est difficile à remplacer », dit-il.