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Les huiles à usage énergétique issues de la biomasse sont aujourd’hui une alternative réaliste aux produits fossiles issus du pétrole. Deux sources d’approvisionnement sont explorées : celle des huiles végétales déjà bien implantées - colza ou tournesol - et celle, en plein essor, des huiles produites à partir de microorganismes (algues et levures. Les huiles sont stockées dans la cellule dans des corps lipidiques qui portent à leur surface des protéines de structure originale capables de stabiliser ces lipides dans un milieu aqueux. Grâce à l'expression hétérologue d'une de ces protéines, la caléosine (AtClo1) de la graine d’Arabidopsis thaliana, les chercheurs ont démontré sa capacité à favoriser la prolifération des corps lipidiques de la levure, Saccharomyces cerevisiae, obtenant ainsi une augmentation de 46,6 % de la teneur en acides gras. Le travail se poursuit autour de cette souche modifiée pour le développement de systèmes biologiques performants de production des huiles. Les projets en cours visent à positionner les levures comme voie alternative de production de biocarburants à usage aéronautique.
Explorer le potentiel des végétaux pour l’obtention d’huiles à visée énergétique
Dans le contexte actuel d’épuisement des ressources fossiles, d’augmentation du prix du pétrole et de protection de l’environnement, la valorisation énergétique des huiles issues de la biomasse et la chimie verte prennent de l’importance. En effet, les huiles issues de la biomasse et leurs dérivés biodégradables présentent un intérêt grandissant en remplacement des produits d'origine fossile. Ils sont de plus en plus retrouvés dans les produits de grande consommation (savon, produits d’entretien) ou industriels (solvants, lubrifiants, encres d’imprimerie). Deux sources sont envisagées, celles des huiles végétales (colza ou tournesol) déjà bien implantées, et celle des huiles produites à partir de microorganismes (algues et levures), actuellement en plein essor.
C'est dans ce contexte que se positionnent les recherches effectuées au sein de l'équipe "Dynamique et structure des corps lipidiques" visant à identifier des facteurs influant sur la qualité et la quantité de lipides originaux et d’intérêt produits par l’amélioration des plantes ou la transformation génétique de levure. Nos projets sur les levures comme voie alternative de production de biocarburants pour des applications aéronautiques reçoivent des soutiens via le Programme National de Recherche sur les Bioénergies et la Direction Générale de l'Aviation Civile
Une plante modèle et une levure de boulangerie
Au sein de la cellule, les lipides de réserve sont stockés dans des granules, les corps lipidiques. Ces granules lipidiques sont présents, chez les eucaryotes supérieurs, dans les graines de plantes (ils sont alors appelés oléosomes et contiennent les huiles), et chez certains eucaryotes unicellulaires comme les levures. Des approches de protéomique menées sur des corps lipidiques ont permis l’identification des protéines associées à ce compartiment qui apparaît alors comme un organite dynamique, avec un rôle dans le contrôle du métabolisme, de la signalisation cellulaire, plutôt que comme un dépôt inerte de graisse.
La caléosine (AtClo1) est une protéine minoritaire de la surface des corps lipidiques de la graine d’Arabidopsis thaliana. Elle possède une structure en trois blocs comme les oléosines, protéines majoritaires des corps lipidiques. Cette structure originale permet son insertion à la surface de ces organites. Elle possède également un site fonctionnel de fixation du calcium. L’étude de plantes déficientes en caléosine a montré l’implication de cette protéine dans la dégradation des lipides durant la germination. Le rôle de cette protéine sur le stockage des lipides reste inconnu. Nous avons montré, grâce à l'utilisation d'un système d'expression hétérologue, la capacité de cette protéine végétale à induire la prolifération des corps lipidiques et à moduler le stockage des lipides chez la levure de boulangerie Saccharomyces cerevisiae
Augmenter la teneur en huile de S. cerevisiae
La levure Saccharomyces cerevisiae comprend généralement quelques corps lipidiques de petite taille (environ 200 nm de diamètre). Nous avons exprimé chez cet eucaryote unicellulaire modèle, la caléosine (AtClo1) associée à une protéine fluorescente. Nous avons étudié l'impact de l'expression de cette protéine sur la structure des corps lipidiques et la teneur en huile des cellules. Nous avons pu mettre en évidence une augmentation du nombre et du diamètre des corps lipidiques (figure 1) qui a conduit à une augmentation de 46.6 % de la teneur en acides gras (comparaison avec une souche non modifiée). Ces résultats montrent que la caléosine possède des propriétés physicochimiques qui permettent de favoriser la genèse de membrane capable d'empaqueter des lipides et ainsi d'induire une augmentation de la teneur en huile chez la levure.
Figure 1 : L'expression de la protéine de fusion AtCLO1-GFP induit une prolifération des corps lipidiques (structures rondes et blanches sur les photos obtenues en microscopie électronique à transmission) chez la levure de boulangerie. © Inra
Un nouvel outil d’étude pour le développement de systèmes biologiques de production d’huiles
Nos résultats montrent que l’expression hétérologue de AtClo1, une protéine des oléosomes de la plante modèle A. thaliana induit une suraccumulation de lipides chez la levure S. cerevisiae. Il est en effet possible d’augmenter de manière notable le contenu en lipides de la très répandue et populaire levure de boulangerie en "végétalisant" ses corps lipidiques par expression d’une protéine d’A thaliana. Cette protéine n’étant pas une enzyme de la voie de biosynthèse de lipides, les mécanismes induisant la prolifération des corps lipidiques et l'accumulation de lipides restent inconnus et peuvent donc faire intervenir la balance des flux de carbone ou des verrous métaboliques en amont des voies de biosynthèse des lipides. C'est pourquoi le travail se poursuit autour de cette souche modifiée qui devient un formidable outil pour la compréhension de la dynamique des corps lipidiques et le développement de systèmes biologiques performants de production des huiles.
Partenaires
Equipe « Dynamique et structure des corps lipidiques » Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech
Equipe Développement et qualité des graines, Institut Jean-Pierre Bourgin, INRA AgroParisTech, Centre de Versailles-Grignon, Route de St-Cyr (RD10), 78026 Versailles Cedex France
Equipe Ubiquitine et trafic intracellulaire, Institut Jacques Monod, CNRS et Université Paris Diderot
Bat.Buffon, 15 rue Hélène Brion 75205 Paris Cedex 13, France
Equipe Génie Microbiologique, Laboratoire Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procèdes, INSA CNRS et INRA, 135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex France
Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Saint-Aubin, BP 48, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex, France
En savoir plus
- Froissard, M., D'Andréa, S., Boulard, C., Chardot, T. (2009). "Heterologous expression of AtClo1, a plant oil body protein, induces lipid accumulation in yeast." FEMS Yeast Res 9(3): 428-38.