Thèmes de recherche

1. Comment la photosynthèse algale capture le CO2
et produit de l’hydrogène ?

Les microalgues transforment efficacement l’énergie solaire en biomasse grâce à la photosynthèse, en utilisant l’eau et le gaz carbonique comme ressources principales. L’efficacité de la photosynthèse algale est liée à la présence d’un mécanisme concentrant le CO2 (CCM) au niveau de son site de fixation par l’enzyme Rubisco. Dans certaines conditions, les microalgues peuvent aussi utiliser l’énergie de la photosynthèse pour produire de l’hydrogène. Les recherches développées au laboratoire visent à comprendre les mécanismes biologiques par lesquels l’énergie solaire est transformée, puis utilisée pour concentrer et fixer le CO2 ou produire de l’hydrogène.

 

Des approches de génétique formelle basées sur le criblage haut-débit de mutants sont développées pour identifier des gènes impliqués dans des mécanismes nouveaux de régulation de la photosynthèse. Différents cribles, basés sur l’analyse de la fluorescence de la chlorophylle ou sur l’analyse des capacités de stockage de réserves carbonées, ont été mis en place au laboratoire et permettent d’isoler des mutants d’intérêt. Des approches multidisciplinaires alliant des techniques de biophysique, de biochimie, de biologie cellulaire et de culture en photobioréacteurs contrôlés, sont ensuite mises en œuvre pour appréhender la fonction physiologique de ces gènes d’intérêt. Ces recherches sont principalement menées sur la microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii.
Certaines microalgues ont la capacité de produire de l’hydrogène grâce à une enzyme hydrogénase en interaction avec la chaîne photosynthétique de transport d’électrons. Dans la nature, la photo-production d’hydrogène est un phénomène transitoire utilisé pour évacuer le pouvoir réducteur généré en excès. Les recherches visent à comprendre les voies de transfert d’électrons impliquées dans la photoproduction d’hydrogène, leurs régulations et limitations, en vue de développer des applications biotechnologiques.

2. Mécanismes de synthèse et d’accumulation des lipides de réserve

Gouttelettes lipidiques dans des cellules de microalgues privées d'azote, colorées avec un colorant lipophile.

Les microalgues ont une forte capacité à synthétiser les acides gras et à les accumuler sous forme de réserves en huile (jusqu’à 50 % de leur poids sec). Les acides gras (ou dérivés) extraits de la biomasse algale ont des applications potentielles importantes dans les biocarburants (biodiesel, biopétrole), la nutrition humaine (acides gras polyinsaturés dits oméga 3) et la chimie verte (synthons pour des biopolymères, lubrifiants, etc.). Cependant, des verrous biologiques majeurs restent à lever pour assurer la rentabilité de la filière. Ainsi, l’accumulation d’huile dans les microalgues n’intervient qu’en conditions de stress, notamment une carence nutritive, ce qui limite la croissance cellulaire et donc les productivités en biomasse et en huile. De plus, les applications biocarburants et nutrition humaine requièrent une amélioration de la « qualité » de l’huile de microalgue, c’est-à-dire une optimisation de la composition en acides gras, adaptée à chaque cas.

Gouttelettes lipidiques à proximité d'organites cellulaires, notamment le peroxysome, la mitochondrie et le chloroplaste.

Les recherches menées ont pour but de comprendre les voies de synthèse des lipides de réserve (triacylglycérols) et leurs régulations en relation avec les conditions environnementales (lumière, carence en azote, etc.) et le métabolisme énergétique (photosynthèse). Elles sont menées principalement chez la microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii. Les travaux sont basés sur une approche de génétique formelle visant à isoler des mutants affectés dans leurs capacités à accumuler ou à déstocker l’huile dans diverses conditions de culture (notamment en condition de croissance optimale), ainsi que des mutants dont le profil d’acides gras est modifié. Le criblage des mutants est réalisé par des méthodes haut-débit (cytomètre en flux, GC-MS avec préparation automatisée des échantillons). Après identification de gènes d’intérêt et caractérisation fine des mutants isolés par analyse lipidomique (LC-MS/MS), des stratégies innovantes d’amélioration de la teneur en huile et de sa qualité sont proposées.

3. Biosynthèse et fonction des biohydrocarbures (alcanes, alcènes)

A l’instar de nombreux organismes, les microalgues et les cyanobactéries sont capables de synthétiser alcanes/alcènes linéaires à partir des acides gras constituant leurs lipides (membranaires ou de réserve). La fonction biologique des biohydrocarbures de microorganismes est encore assez énigmatique. Alcanes et alcènes se trouvent aussi être des composants des carburants fossiles et pour la chimie fine. Dans une optique de production de biocarburants lipidiques dans des microorganismes, les alcanes/alcènes ont sur les acides gras et dérivés (huile) l’avantage d’être volatiles. L’excrétion d’alcanes et d’alcènes par des microorganismes et leur capture en phase gaz des cultures, permettrait non seulement de s’affranchir des étapes les plus coûteuses (récolte de la biomasse, traitement par liquéfaction hydrothermale ou extraction de l’huile et conversion en biodiesel), mais aussi d’obtenir des carburants prêts à l’emploi plus purs et donc moins polluants que les carburants fossiles actuels.

Les recherches menées au laboratoire sur les biohydrocarbures ont pour but :

i)     D’élucider la fonction biologique des hydrocarbures produits naturellement par les microalgues et les cyanobactéries

ii)   D’identifier les enzymes permettant la biosynthèse des hydrocarbures

iii)  D’étudier les propriétés, le mécanisme et les relation structures-fonction de ces enzymes

iv) D’exploiter ces connaissances pour explorer les applications visant à produire des hydrocarbures biosourcés.

 Nos travaux ont notamment permis d’identifier l’enzyme responsable de la synthèse des alcanes/alcènes chez les microalgues, la fatty acid photodecarboxylase (FAP, voir schéma ci-dessous). C’est une photoenzyme, un type d’enzyme rare qui a besoin d’absorber un photon à chaque cycle catalytique.


Schéma : Voie proposée pour la formation d'hydrocarbures à partir d'acides gras chez la microalgue verte Chlamydomonas reinhardtii et rôles putatifs des hydrocarbures (d’après Moulin et al. 2021 Plant Physiology).

Nos recherches sur la conversion enzymatique d’acides gras s’étendent aussi à la fonctionnalisation des acides gras. Ces travaux, aussi menés en vue d’applications en chimie verte, visent à identifier chez les microalgues ou les plantes de nouvelles enzymes permettant l’introduction de groupements fonctionnels (hydroxy, époxy, etc.) à des positions particulières de la chaîne carbonée des acides gras.