Des petites chenilles pour venir à bout des déchets de matières plastiques

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Trois cent millions de tonnes par an, voila la production globale de matières plastiques et la plupart de ces produits artificiels essentiellement dérivés du pétrole ne sont que peu recyclés mis à part le polyéthylène-téréphtalate (PET). Pour aggraver la situation ces produits ne sont que peu ou pas du tout dégradés dans l’environnement bactérien ou fongique. Par exemple le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le chlorure de polyvinyle (PVC) sont réfractaires à toute biodégradation et ne parlons même pas du polystyrène (PS) et du polyuréthane (PUR) qui s’accumulent dans les océans sous forme de microparticules et perturbent l’alimentation halieutique. Bref, si quelques travaux ont montré que certaines bactéries dégradaient très lentement certains PE et PP, rien n’indique que l’on ait trouvé la solution idéale pour se débarrasser de ces résidus indésirables, disons, de la civilisation moderne de consommation.

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C’est en procédant par analogie que des biologistes de l’Université de Cantabrique à Santander (Espagne) et de l’Université de Cambridge en Grande-Bretagne ont eu l’idée de se pencher sur le papillon mangeur de cire d’abeille de la famille des pyrales, le Galleria mellonella. La cire d’abeille est un polyester constitué d’un enchainement d’ester de l’acide myricyle comportant un enchainement de 16 liaisons carbone-carbone et cette ressemblance a conduit ces biologistes à littéralement donner à manger des films de polyéthylène aux chenilles de ce papillon. Telle ne fut pas la satisfaction de ces biologistes un peu hors normes quand ils constatèrent que ces chenilles à peine plus grosses qu’un grain de riz avaient trouvé qu’après tout cette matière plastique constituait un mets tout à fait convenable et surtout assimilable.

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Le Docteur Federica Bertocchini a donc étudié en détail ce qui se passait avec « le ver à cire », la larve de la Galleria et elle a découvert qu’effectivement le polyéthylène était digéré par cette larve en produisant de l’éthylène-glycol, ce qui veut dire que la larve possède un équipement enzymatique lui permettant de couper une liaison carbone-carbone. Il ne fallut pas beaucoup de temps pour ces larves de reconnaître qu’il y avait quelque chose de bon à grignoter et c’est ce qu’elles ont fait. Cent larves dispersées sur un film de PE se sont mises à fourrager, pas exceptionnellement mais tout de même suffisamment pour que l’expérimentateur enregistre une perte de poids du film de 0,23 mg de PE par centimètre carré et par heure. Il est tout de même important de rappeler que ces larves sont de tout petits vers comme je l’ai dit plus haut. Une analyse chimique a confirmé l’apparition d’éthylène-glycol ainsi que d’autres composés et une investigation microscopique par force atomique a indiqué la présence de dépressions dans le film confirmant la disparition de matière (plastique).

En passant au broyeur ces larves l’étude a confirmé la présence d’activités enzymatiques dans l’homogénat capables de dégrader directement le PE sans le soutien d’une activité cellulaire. On se trouve donc en présence d’un espoir de traiter industriellement le recyclage bio du PE et pourquoi pas d’autres matières plastiques dont la production pléthorique (mille milliards de sacs plastique utilisés dans le monde chaque année) met potentiellement en danger de nombreux écosystèmes. Il reste à espérer que cette avancée débouchera sur une application industrielle à grande échelle pour éventuellement recycler ces produits proprement.

Source et illustration : Current Biology, doi : 10.1016/j.cub.2017.02.060

Autre illustration : Wikipedia

Note : que mes lecteurs se rassurent, je ne suis pas un écolo idéologiquement forcené mais quand je lis un article tel que celui qui m’a inspiré ce billet je ne peux que me réjouir qu’il soit possible, certes dans un avenir plus ou moins proche, d’utiliser des enzymes pour trouver une alternative à des problèmes préoccupants qui n’ont d’autre solution que l’enfouissement ou l’incinération, deux pis-allers franchement triviaux en comparaison des possibilités offertes par la biologie moderne.

Un enzyme qui dégrade le PET (polyéthylène-téréphtalate)

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Les matières plastiques en tous genres ont inondé nos vies quotidiennes, depuis les touches des claviers d’ordinateurs jusqu’aux bouteilles d’eau minérale en passant par les jouets, le mobilier ou encore les chaussures et les vêtements. Rien que pour le polyéthylène-téréphtalate, plus connu sous l’abréviation de PET, une matière plastique transparente constituant les bouteilles de boissons variées, la production annuelle mondiale était de 56 millions de tonnes en 2013, dont 60 % utilisés pour les fibres textiles, par exemple le Dacron, et le reste pour les emballages. Les monomères du PET sont issus directement du pétrole. Il s’agit de l’acide téréphtalique et de l’éthylène-glycol. Le PET est inerte et jusqu’à récemment il n’était pas considéré comme biodégradable. Des petits curieux avaient bien noté quelques dégradations ici ou là, dans les creux humides des centre de retraitement des matières plastiques, mais jamais personne ne s’était sérieusement penché sur les populations bactériennes susceptibles de dégrader ces produits envahissants. C’est ce à quoi s’est intéressée une équipe de biologistes de l’Institut de Technologie de Kyoto et de la Keio University à Yokohama.

Il y a en effet un immense enjeu économique et environnemental s’il existe des activités enzymatiques capables de dégrader le PET pour le recycler car traiter des résidus de matières plastiques dans un fermenteur avec des bactéries ou éventuellement avec des enzymes produits par sur-expression avec des bactéries ou des levures comme il en existe pour les lessives, certaines synthèses chimiques ou encore dans l’industrie textile est beaucoup plus rentable industriellement que de traiter des matières plastiques chimiquement ou encore à l’aide de canons à électrons.

L’équipe dirigée par le Docteur Kenji Miyamoto a donc suivi le chemin d’investigation classique en allant dans un premier temps collecter quelques 250 échantillons dans un centre de traitement des matières plastiques situé près d’Osaka. Une mixture bactérienne s’est révélée capable de pousser sur des films de PET dans un milieu de culture contenant essentiellement des sels minéraux et quelques vitamines.

La deuxième étape a consisté à isoler la bactérie capable de pousser sur ces films de PET et de la caractériser en détail. Elle a été nommée Ideonella sakaiensis car elle fait partie de la famille des « Ideonelleae ». Les toutes premières investigations ont montré que cette bactérie semblait, à l’aide de petits filaments (indiqués par des flèches dans l’illustration), excréter quelque chose sur le film de PET, probablement des enzymes capables de dégrader ce substrat carboné, le seul présent dans le milieu de culture.

L’étape suivante a donc tout naturellement conduit à la caractérisation des gènes de la bactérie qui étaient exprimés en présence de PET puis de sur-exprimer le produit de ces gènes dans des bactéries adéquates afin d’en étudier les propriétés et reconstituer le schéma de dégradation du PET. Et ça se passe ainsi :

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PETase est un enzyme qui hydrolyse le PET en fragments dont le MHET (monohydroxy-ethyl téréphtalate) qui va à son tour être coupé en téréphtalate et éthylène-glycol. Comme tout se passe en dehors de la bactérie, celle-ci a mis au point un système lui permettant de « pomper » ces deux molécules chimiques qui vont lui servir d’aliment carboné comme le CO2 atmosphérique sert d’aliment aux plantes et au plancton. Finalement la bactérie dispose d’un équipement enzymatique interne qui va conduire à l’acide protocatechuique facilement assimilé pour le métabolisme basal.

L’étape finale de ce travail remarquable a consisté à ajouter directement l’enzyme PETase à des films de PET et le résultat – une dégradation de ces films – a permis de vérifier qu’on n’avait pas besoin de la bactérie pour procéder à la dégradation de cette matière plastique en ses constituants initiaux.

À n’en pas douter ces travaux vont conduire à des applications industrielles pour dégrader le PET dans des conditions infiniment moins coûteuses en énergie que les techniques chimiques et physiques actuellement utilisées à petite échelle en raison de leur prix. On peut imaginer des fermenteurs de plusieurs centaines de milliers de litres dans lesquels une solution enzymatique réduira le PET en ses constituants initiaux qu’on pourra récupérer et repolymériser avec les catalyseurs adéquats. Cependant il ne faut pas oublier que la majeure partie du PET (plus de 50 %) est recyclée sous forme de fibres de mauvaise qualité qui servent notamment à fabriquer des revêtements de sol ou des vêtements particuliers comme les « polaires ». Il faut souhaiter un grand avenir à ces travaux innovants qui conjuguent les techniques les plus modernes de la biologie pour aboutir à une application industrielle respectueuse de l’environnement …

Source : Science, DOI : 10.1126/science.aad6359 , article aimablement communiqué par le Docteur Kenji Miyamoto que je tiens à la disposition de mes lecteurs.