Qu'est-ce que la biologie synthétique et pourquoi est-ce important pour les plastiques?

La biologie synthétique est un domaine interdisciplinaire qui applique les principes d'ingénierie à la biologie. Il s'agit de remanier les organismes à des fins utiles en les ingénierie pour les doter de nouvelles capacités. Les chercheurs peuvent écrire un nouveau code génétique – comme un logiciel d'écriture – pour faire produire des microbes chimiques, des combustibles et des matériaux qui étaient autrefois dérivés des ressources fossiles.

La trousse de base comprend la synthèse de l'ADN, l'édition de gènes (en particulier CRISPR-Cas9) et l'ingénierie des voies métaboliques. En assemblant de nouvelles combinaisons de gènes, les scientifiques peuvent créer des usines cellulaires qui éliminent avec précision les composés de haute valeur.

Par exemple, une étude 2021 dans Biotechnologiques naturelles[ a démontré que E. coli qui produisait des polyhydroxyalcanates (PHA) à des rendements appropriés à l'échelle commerciale.

Techniques de biologie synthétique pour le développement bio-basé du plastique

Ingénierie de trajectoire métabolique

Les scientifiques conçoivent de nouvelles voies dans des organismes comme E. coli, levure ou cyanobactéries pour convertir des sucres simples en précurseurs de polymères. Pour les polyhydroxyalcanoates (PHA), la voie implique des enzymes qui polymérisent les monomères hydroxyacyl-CoA à l'intérieur de la cellule. En affinant l'expression des enzymes et en bloquant les voies concurrentes, les chercheurs peuvent pousser le flux de carbone vers l'accumulation de polymères, atteignant parfois plus de 80% du poids sec de la cellule comme PHA.

On utilise une approche similaire pour l'acide polylactique (PLA), bien que le PLA soit généralement produit par fermentation de l'acide lactique suivie d'une polymérisation chimique.La biologie synthétique permet maintenant la production biologique directe de lactide, le dimère cyclique de l'acide lactique, qui peut être polymérisé sans étapes chimiques distinctes. Génomatica, un leader de la biotechnologie industrielle, a été le pionnier de ces voies pour les monomères bio-basés utilisés dans les remplacements de nylon et de polyester.

CRISPR et édition génomique

CRISPR-Cas9 a considérablement raccourci le cycle de conception-construction-test-apprentissage. Lorsque le génie génétique traditionnel a pris des mois pour modifier un seul gène, CRISPR peut faire plusieurs modifications en une semaine. Cela permet un prototypage rapide des voies synthétiques. Par exemple, les équipes de l'Université de Californie ont utilisé CRISPR pour concevoir Pseudomonas putida pour produire des PV de longueur moyenne à chaîne avec des propriétés mécaniques sur mesure – des films flexibles aux thermoplastiques rigides.

Systèmes sans cellules

Une approche émergente est la biologie synthétique sans cellules, où des cocktails enzymatiques sont assemblés in vitro pour produire des polymères en dehors des cellules vivantes.Cela évite les problèmes de toxicité et de charge métabolique.

Plastiques bio-basés clés activés par la biologie synthétique

Polyhydroxyalcanoates (PHA)

Les PHA sont des polyesters produits par les bactéries comme stockage d'énergie. Ils sont entièrement biodégradables dans les milieux marins et du sol. La biologie synthétique a permis la production dans des hôtes hétérologues comme la levure, qui sont plus faciles à cultiver et à récolter. Des entreprises comme Danimer Scientific et CJ CheilJedang commercialisent des PHA pour l'emballage, les pailles et les revêtements. Danimer Scientific="s Nodax®[ PHA[ est certifiée biodégradable et utilisée par les grandes marques.

Acides polylactiques (PLA) par fermentation de la biomasse

La biologie synthétique a amélioré l'efficacité de la production d'acide lactique dans les microorganismes, réduisant ainsi les coûts et l'énergie. Les avancées récentes permettent la production d'acide L-lactique à haute pureté optique, qui donne une PLA plus forte. Les ingénieurs en métabolisme chez TotalEnergies Corbion ont obtenu des rendements de 95% ou mieux dans les souches de levure optimisées.

Polyéthylène et polyesters bio-basés

Le polyéthylène traditionnel peut être fabriqué à partir du bioéthanol (éthanol du maïs ou de la canne à sucre) par déshydratation en éthylène. La biologie synthétique est maintenant utilisée pour concevoir des microbes qui produisent de l'éthylène directement à partir de sucres, contournant ainsi l'étape de l'éthanol. De même, le polyéthylène téréphtalate (bio-PET) bio-basé avance avec des organismes techniques qui produisent de l'acide téréphtalique à partir de la biomasse. LanzaTech utilise la fermentation du gaz pour convertir les émissions industrielles de carbone en éthylène glycol, un précurseur de PET.

Avantages de la biologie synthétique–Plastiques bio-conducteurs

  • Matériels d'alimentation renouvelables:[ Utilise les déchets agricoles, la canne à sucre ou le CO2 au lieu de l'huile fossile.
  • Imposition carbone basse:[ Les évaluations du cycle de vie montrent une réduction des émissions de gaz à effet de serre de 80 % par rapport aux plastiques conventionnels.
  • Biodégradabilité:[ De nombreux plastiques bio-basés comme PHA sont compostables dans les installations industrielles et même dans les environnements domestiques.
  • Propriétés personnalisables:[ En ajustant la composition monomère, la biologie synthétique peut produire des plastiques rigides, flexibles ou extensibles, adaptés à des applications spécifiques.
  • Itération de grille: La synthèse de l'ADN et le dépistage à haut débit accélèrent la découverte de nouvelles variantes de polymères.

Par exemple, une équipe du MIT a utilisé l'évolution dirigée pour créer un nouveau copolymère PHA qui est à la fois solide et élastique, les utilisations d'ouverture dans les sutures médicales et les films d'emballage biodégradables.

Étude de cas: Production industrielle et de l'ASP

L'un des projets de biologie synthétique les plus avancés pour les bioplastiques est la production de PHA par des entreprises comme Newlight Technologies. Leur procédé utilise des bactéries consommatrices de méthane combinées à des circuits de gènes synthétiques pour convertir du méthane (un puissant gaz à effet de serre) en polymères PHA. Le résultat est un plastique carbone négatif.

Ces projets démontrent le potentiel d'évolutivité lorsque la biologie synthétique est combinée à la fermentation industrielle. Les usines pilotes sont maintenant en service, et les premiers produits commerciaux atteignent les étagères.

Défis et solutions

Compétitivité des coûts

La biologie synthétique s'attaque à cette question en améliorant le rendement, le titre et la productivité. Par exemple, les souches d'ingénierie pour tolérer des concentrations élevées de produits réduisent les coûts de transformation en aval. Les flux métaboliques peuvent être optimisés à l'aide de modèles d'apprentissage machine qui prédisent les goulets d'étranglement enzymatiques.

Durabilité des matières premières

La biologie synthétique permet l'utilisation de la biomasse lignocellulosique (résidus agricoles comme la poêle à maïs ou les copeaux de bois) par l'ingénierie des microbes qui décomposent la cellulose et l'hémicellulose. Des souches avancées de Yarrowia lipolytica ont été conçues pour co-utiliser le xylose et le glucose à partir d'hydrolysats de biomasse, atteignant des rendements élevés en PHA sans concurrence avec l'approvisionnement alimentaire.

Gestion de la fin de vie

Les plastiques bio-basés ne sont pas tous biodégradables. La biologie synthétique peut incorporer des étiquettes de dégradation enzymatique dans l'épine dorsale des polymères, permettant ainsi une dégradation déclenchée.Les entreprises comme Carbios utilisent des enzymes conçues pour dépolymériser le PET et le PLA en monomères pour le recyclage. Carbios=] Le processus de recyclage enzymatique fonctionne également sur le PET conventionnel, liant la biologie synthétique à une économie plastique circulaire.

Perspectives d'avenir : Vers une bioéconomie circulaire

La biologie synthétique est conçue pour transformer l'industrie plastique de la ligne (déchets à prise) en circulaire.

  • Microbes de conception qui produisent des plastiques auto-guérisants qui peuvent réparer les fissures en utilisant des circuits synthétiques intégrés.
  • Matériaux vivants où les bactéries restent dans le produit final, fournissant la biodégradabilité sur demande.
  • Intelligence artificielle – conception guidée de nouveaux polymères ayant des propriétés égales ou supérieures à celles des plastiques pétrochimiques, comme les propriétés de barrière pour l'emballage alimentaire.
  • Intégration aux technologies de captage du carbone: matières premières du CO[2 capturés converties en bioplastiques par cyanobactéries ou chimiolithoautotrophes.

L'Union européenne et l'Initiative de bioéconomie des États-Unis financent la recherche sur les alternatives bio-basées. La demande des consommateurs pour des emballages durables est à l'origine des engagements des détaillants : d'ici 2030, de nombreuses grandes marques visent à rendre tous les emballages recyclables, réutilisables ou compostables.

Conclusion

La biologie synthétique n'est pas seulement une amélioration progressive, c'est un changement de paradigme dans la façon dont nous produisons des plastiques.En reprogrammant des microorganismes pour construire des polymères à partir de carbone renouvelable, nous pouvons créer des matériaux qui sont hautement performants, biodégradables et neutres en carbone, voire négatifs. La technologie est passée de la curiosité des laboratoires à la production commerciale réelle.