Produire des calories à partir du dioxyde de carbone
Des chercheurs chinois ont considérablement accéléré un procédé qui transforme les gaz résiduaires industriels en amidon comestible, multipliant par dix la productivité par rapport à leur méthode révolutionnaire de 2021. Cette avancée, annoncée par l’Académie chinoise des sciences (CAS), rapproche le monde d’une production d’amidon à l’échelle industrielle, sans terres agricoles, cultures ni agriculture traditionnelle. Des scientifiques de l’Institut de biotechnologie industrielle de Tianjin (TIB) ont perfectionné leur système enzymatique acellulaire afin de convertir le dioxyde de carbone en glucide complexe, à une vitesse qui dépasse désormais largement celle de la photosynthèse naturelle. Cette découverte pourrait bouleverser la donne en matière de sécurité alimentaire mondiale : elle ouvre la voie à la production d’ingrédients alimentaires essentiels et de matières premières industrielles, tout en évitant les coûts environnementaux de l’agriculture conventionnelle.
Sommaire
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Cai Tao, a consacré les cinq dernières années à optimiser la voie chimique et biochimique hybride présentée pour la première fois dans la revue Science. Leur percée initiale de 2021 avait démontré que la synthèse d’amidon à partir de CO2 pouvait être 8,5 fois plus rapide que chez le maïs. Les dernières améliorations ont encore multiplié cette production par dix, donnant naissance à un système dont le rendement atteint des niveaux jusqu’alors considérés comme purement théoriques. Cette voie anabolique artificielle de synthèse de l’amidon (ASAP) est désormais en mesure de remettre en question le modèle agricole qui domine la civilisation humaine depuis des millénaires.
La chimie de la photosynthèse artificielle
Le procédé imite la nature, mais élimine les inefficacités biologiques inhérentes à la croissance des plantes. Au lieu d’attendre plusieurs mois que le maïs arrive à maturité, la méthode mise au point en laboratoire réalise la conversion en quelques heures. La voie métabolique comprend onze réactions principales qui transforment le dioxyde de carbone gazeux en amidon polymérique, au fil d’une succession minutieusement orchestrée d’étapes chimiques et enzymatiques.
Dans un premier temps, un catalyseur inorganique réduit le dioxyde de carbone en méthanol dans des conditions contrôlées. Cette molécule simple sert ensuite de brique élémentaire à une cascade de réactions enzymatiques. L’équipe a prélevé et modifié des enzymes issues de 31 espèces différentes, sélectionnant et adaptant 62 candidates pour retenir les dix catalyseurs les plus efficaces. Ces machines biologiques transforment le méthanol en sucres à trois et six atomes de carbone, qui sont ensuite polymérisés en amylose ou en amylopectine, les deux principaux composants de l’amidon naturel.
L’amidon synthétique obtenu est chimiquement et physiquement identique à son équivalent agricole. Les analyses en laboratoire confirment que sa composition et ses propriétés sont les mêmes : le produit artificiel pourrait donc remplacer directement l’amidon de maïs dans les produits alimentaires, les médicaments, la fabrication du papier et des textiles, les adhésifs et les plastiques biodégradables. La méthode permet également de moduler la composition de l’amidon et pourrait ainsi produire des variétés présentant des vitesses de digestion ou des caractéristiques fonctionnelles spécifiques, adaptées aux besoins de l’industrie.
Du laboratoire à l’usine
Le passage des résultats obtenus en laboratoire à une exploitation commerciale viable pose des difficultés qui dépassent la seule percée scientifique. Dans un entretien accordé à China Science Daily, le professeur Cai Tao a reconnu que le changement d’échelle était ardu. Il a expliqué que le passage de la preuve de concept à l’application industrielle supposait de surmonter d’importants obstacles économiques.
Il est difficile de passer de zéro à un, difficile de réduire les coûts, et encore plus difficile de parvenir, au bout du compte, à une application industrielle. Malgré tout, nous devons relever le défi.
Le principal obstacle tient au coût des enzymes. Dans le système initial de 2021, une seule enzyme clé représentait la moitié des dépenses en matériaux. L’équipe s’est attachée à résoudre ce problème, en recourant à l’intelligence artificielle pour repérer des variantes enzymatiques plus stables et plus efficaces, tout en mettant au point des méthodes permettant de réutiliser les catalyseurs biologiques. Ces améliorations ont fortement réduit la quantité d’enzymes nécessaire sans nuire au rendement des réactions.
Les chercheurs ont également optimisé les conditions de réaction afin de réduire fortement les coûts énergétiques. Le procédé fonctionne dans des conditions de laboratoire contrôlées, ce qui permet d’obtenir des rendements prévisibles, indépendamment de la météo, des saisons ou des variations climatiques. Cette régularité contraste nettement avec la production agricole, où les sécheresses, les inondations et les ravageurs peuvent ravager les récoltes annuelles.
Repenser l’économie agricole
Les économies potentielles de ressources vont bien au-delà des simples gains d’efficacité. Selon les calculs de l’équipe du TIB, un bioréacteur d’un mètre cube pourrait, en théorie, produire en un an autant d’amidon qu’environ un tiers d’hectare de maïs. Si les coûts de production peuvent être ramenés à un niveau concurrentiel avec celui de l’agriculture traditionnelle, cette technologie pourrait supprimer le besoin de plus de 90 % des terres cultivées et de l’eau douce actuellement consacrées à la production d’amidon.
Cette transformation de l’usage des terres aurait des conséquences considérables pour l’agriculture mondiale. Aujourd’hui, la production industrielle d’amidon repose presque exclusivement sur le maïs, une culture qui exige de vastes surfaces de terres arables, une irrigation intensive et de grandes quantités d’engrais et de pesticides. La concurrence entre cultures alimentaires et matières premières industrielles pour l’accès aux terres agricoles limitées s’intensifie avec la croissance de la population mondiale et les menaces que le changement climatique fait peser sur les rendements.
Ma Yanhe, directeur fondateur du TIB, a exposé la vision qui sous-tend ces recherches dans une déclaration de 2021 toujours d’actualité. Il estimait que l’industrialisation constituait à la fois l’idéal de départ et l’objectif final du projet, soulignant que l’équipe n’abandonnerait pas malgré les difficultés rencontrées au cours de son développement.
Les bénéfices environnementaux s’accumulent si l’on prend en compte les effets sur le cycle du carbone. Au lieu de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, le procédé le consomme comme matière première. Alimenté par de l’électricité renouvelable, le système pourrait produire de l’amidon avec un bilan carbone négatif, en retirant activement des gaz à effet de serre de l’atmosphère tout en fabriquant des produits de valeur. Une étude publiée en 2023 par la même équipe dans Science Bulletin a montré que son système pouvait atteindre un rendement énergétique 3,5 fois supérieur et des vitesses de synthèse 23 fois plus élevées que celles des systèmes végétaux naturels.
D’autres voies biologiques
Si la méthode enzymatique occupe le devant de la scène, des recherches menées en parallèle mettent en évidence d’autres voies prometteuses pour transformer le dioxyde de carbone en amidon. Des scientifiques ont élaboré une méthode alternative à base de levures génétiquement modifiées, en particulier de la souche oléagineuse Yarrowia lipolytica, afin de produire ce qu’ils appellent des « micrograins riches en amidon ».
Cette approche biologique remanie le métabolisme des levures pour leur faire accumuler de l’amidon jusqu’à atteindre 47 % de leur poids sec. En modifiant les voies de biosynthèse de l’amidon et de gluconéogenèse, et en manipulant la morphologie des cellules pour en augmenter la taille, les chercheurs ont obtenu une productivité spatio-temporelle environ 50 fois supérieure à celle des cultures traditionnelles. La méthode à base de levures utilise de l’acétate, qui peut être produit par électrosynthèse à partir de dioxyde de carbone grâce à de l’électricité renouvelable, ouvrant ainsi une autre voie à la production alimentaire à bilan carbone négatif.
En présence d’acétate, les levures modifiées peuvent consommer des déchets agricoles comme la paille, ce qui permet de convertir la cellulose en amidon comestible. Cette capacité répond à un autre défi agricole : la sous-utilisation des résidus de culture. Les méthodes enzymatique et microbienne diffèrent, mais elles ont en commun de chercher à dissocier la production alimentaire de l’agriculture traditionnelle.
Enjeux nationaux et mondiaux
Les investissements de la Chine dans la technologie de l’amidon synthétique répondent à de fortes pressions à l’échelle nationale. Le pays doit nourrir la population la plus importante au monde avec des ressources en terres agricoles et en eau limitées par habitant. Les activités agricoles contribuent largement aux émissions nationales de carbone, par la production d’engrais, la consommation de carburant des machines, les rejets de méthane liés à la riziculture et les systèmes d’irrigation énergivores.
Les données récentes couvrant la période 2005-2021 montrent que la Chine a misé sur une gestion agricole à deux échelles, associant de grandes exploitations à des services professionnels mutualisés afin de réduire l’intensité carbone tout en maintenant la production. Toutefois, ces progrès pourraient ne pas suffire face à l’intensification du changement climatique et à la dégradation des terres arables. L’amidon synthétique offrirait une stratégie complémentaire, susceptible de libérer des millions d’hectares pour restaurer les écosystèmes ou cultiver des denrées alimentaires, tout en répondant à la demande industrielle en glucides.
Cette technologie s’inscrit également dans la transition énergétique plus large de la Chine. À mesure que le pays développe sa production d’électricité renouvelable et réduit les émissions du secteur électrique, l’accès à une énergie propre rend les technologies de captage et de valorisation du carbone de plus en plus viables. Le procédé de conversion du CO2 en amidon nécessite un apport énergétique, notamment pour la conversion initiale en méthanol et la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Alimenté par l’énergie solaire ou éolienne, le système stocke efficacement l’énergie électrique sous forme de liaisons chimiques, créant ainsi une forme de stockage énergétique dans les aliments.
À retenir
- Des scientifiques chinois de l’Institut de biotechnologie industrielle de Tianjin ont multiplié par dix la productivité de la conversion du dioxyde de carbone en amidon par rapport à leur méthode révolutionnaire de 2021.
- Le procédé artificiel utilise onze étapes enzymatiques pour transformer le CO2 en amidon identique aux produits agricoles, à une vitesse désormais environ 85 fois supérieure à celle de la synthèse naturelle du maïs.
- Un bioréacteur d’un mètre cube pourrait, en théorie, égaler la production annuelle d’amidon d’un tiers d’hectare de maïs, et permettre d’économiser plus de 90 % des terres et de l’eau utilisées dans la production traditionnelle d’amidon.
- Les équipes de recherche recourent à l’intelligence artificielle pour optimiser les enzymes et réduire les coûts, afin de lever les principaux obstacles à l’application industrielle et commerciale.
- Des recherches parallèles sur des levures génétiquement modifiées offrent une autre voie biologique, avec une productivité spatiale 50 fois supérieure à celle des cultures, en utilisant de l’acétate obtenu par électrosynthèse comme matière première.
- Cette technologie pourrait réduire les émissions de carbone de l’agriculture, mettre fin à la concurrence entre cultures alimentaires et industrielles pour les terres agricoles et permettre une fabrication à bilan carbone négatif si elle est alimentée par des énergies renouvelables.
