Il a fallu trois ans de recherches, d’observations précises et de patience pour venir à bout de l’énigme et comprendre, à la très petite échelle des molécules, les prouesses de la chlorelle : une microalgue d’eau douce capable de mobiliser la lumière du soleil – abondante et gratuite – pour produire de précieuses molécules d’hydrocarbures.
En 2017 déjà, des chercheurs du CEA identifiaient, sur le site de Cadarache (Bouches-du-Rhône), l’enzyme responsable de la transformation : la FAP (pour Fatty Acid Photodecarboxylase en anglais). Dans un article publié le 9 avril dans la revue Science, ils décrivent, cette fois, les mécanismes lui permettant de produire diesel, kérosène, essence ou encore paraffine à partir d’acide gras et de lumière.
Repérer des phénomènes ultra-rapides
“On sait depuis longtemps que les microalgues sont des organismes qui produisent des hydrocarbures, mais nous ne savions pas comment”, retrace Damien Sorigué, chercheur du CEA au BIAM, l’Institut de biosciences et de biotechnologie d’Aix-Marseille. Au cours de sa thèse, débutée en 2013, ce scientifique perce la première partie du mystère et identifie la FAP : l’enzyme responsable de la transformation des acides gras (produits en abondance par les algues) en hydrocarbures à partir de la lumière. Une propriété qui le convainc de poursuivre ses recherches et de se pencher sur les mécanismes qui permettent à l’enzyme de réaliser ce tour de force.
Coup de chance, la FAP est une photo-enzyme. C’est-à-dire que pour transformer les acides gras en hydrocarbures, elle utilise l’énergie des photons du soleil. Un type d’enzyme très rare, intéressant écologiquement et surtout idéal à étudier. Si la réaction mobilise de la lumière, elle ne démarre pas en son absence. Il suffit donc aux scientifiques de jouer de l’interrupteur pour synchroniser l’action des enzymes (préalablement transférées et purifiées dans une bactérie pour amplifier la réaction), et ainsi pouvoir enregistrer une image claire de leur activité.
Cette méthode "permet d’étudier des mécanismes ultrarapides, comme les transferts d’électrons ou de protons, qui ne durent que quelque centaines de picosecondes", détaille Damien Sorigué. Un travail qui a néanmoins nécessité un appareillage complexe dédié à l’imagerie ultrarapide et qui a mobilisé une large équipe scientifique, parmi lesquels de nombreux chercheurs du CEA, mais aussi du CNRS, de l’Inserm, de l’Ecole Polytechnique, des universités de Grenoble Alpes, Paris-Saclay et Aix-Marseille, ainsi que du Synchrotron Européen et du synchrotron Soleil.
Un processus fait en ... un milliardième de seconde
Résultat ? Un cycle net permettant de passer de molécules d’eau et d’acides gras – "des composants naturels des membranes cellulaires, très abondants dans la nature", pointe Damien Sorigué – aux hydrocarbures. Concrètement : en absorbant de la lumière, un sous-ensemble de l’enzyme arrache un électron à l’acide gras apporté par l’algue. Une opération qui le déstabilise et entraîne une réaction en chaîne complexe, transformant l’acide gras en hydrocarbure tout en libérant du carbone, sous la forme solide de bicarbonate. Le tout en un milliardième de seconde !
La compréhension du cycle de production de ces hydrocarbures sert d’abord la recherche fondamentale. Observer cette transformation “aide à comprendre les mécanismes fondamentaux du vivant, tels que les transferts d’électrons, des protons, ou les ruptures de liaisons chimiques au sein des cellules”, élucide Damien Sorigué. Mais l’intérêt écologique et industriel de ces recherches n’est pas absent.
Les cosmétiques avant les carburants
En utilisant l’énergie du soleil (ou de dispositifs artificiels en reproduisant la lumière), l’enzyme pourrait permettre de produire des biocarburants plus facilement qu'aujourd'hui, imagine le chercheur. Pour l’instant FAP est utilisée in vitro, avec un substrat contrôlé. Mais "elle pourrait servir à améliorer toutes les générations de biocarburants", imagine Damien Sorigué. Purifiée et au-besoin contrôlée pour en moduler la production, la FAP pourrait transformer les lipides des huiles de colza et de palme utilisés pour les biocarburants de première génération en hydrocarbures de qualité, explique le chercheur. Et elle pourrait aussi être introduite directement dans des bactéries ou des algues pour s'attaquer aux biocarburants de deuxième (biomasse) et troisième (algues photosynthétiques) générations. Produisant directement des hydrocarbures utilisables et bas carbone.
“Cette enzyme travaille sur une large gamme de molécules, vante encore le chercheur. En apportant des substrats différents, d'autres chercheurs ont montré qu'il est possible de réaliser des hydrocarbures de longueurs différentes, allant du méthane (à un carbone) jusqu’au diesel (qui comporte de 13 à 18 carbones)”. Reste que pour s’imposer, la question des coûts sera centrale. De quoi pousser le chercheur à se tourner du côté des hydrocarbures pour la chimie et la cosmétique, comme la paraffine ou les oléfines, dont les productions sont à la fois plus chères, moins volumineuses et plus contraignantes que celles du secteur pétrolier. Pour cela, les chercheurs devront comprendre encore mieux les mécanismes enzymatiques, mais aussi se pencher sur l’édition génomique pour coupler l’enzyme à des cyanobactéries, plus simples à contrôler.
