Unicamp développe des levures pour optimiser l'éthanol de maïs.

La production d'éthanol à partir de maïs est un phénomène récent au Brésil, mais cette filière représente déjà environ 30 % de la production nationale d'éthanol, faisant du Brésil l'un des plus grands producteurs mondiaux de ce biocarburant. Pour accompagner cette croissance rapide, des chercheurs de l'Université d'État de Campinas (Unicamp) ont mis au point une levure génétiquement modifiée capable d'accroître l'efficacité de la fermentation du maïs.  

L'invention a été développée par des chercheurs du Laboratoire de génomique et de bioénergie de l'Institut de biologie (IB) de l'Université, sous la direction de Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, professeur à l'IB. La technologie a été protégée et concédée sous licence à Bioinfood, une entreprise issue de l'Université d'Unicamp, dans le cadre d'une stratégie de l'Agence d'innovation d'Unicamp (Inova Unicamp), avec le soutien de la Fondation pour le développement d'Unicamp (Funcamp).  

Le défi de la fermentation pour l'éthanol de maïs.  

L'éthanol de maïs s'est imposé comme une alternative complémentaire à l'éthanol de canne à sucre, le maïs présentant des avantages logistiques considérables. Contrairement à la canne à sucre, qui doit être transformée dans les 48 heures suivant la récolte, le grain de maïs peut être stocké en silos pendant des mois sans perte de qualité. Cette caractéristique permet aux producteurs de profiter de la période intersaisonnelle du soja pour cultiver du maïs, favorisant ainsi la rotation des cultures et réduisant l'impact environnemental. De plus, la filière maïs génère des sous-produits à haute valeur ajoutée, tels que l'huile et l'alimentation animale, rendant les bioraffineries de maïs encore plus attractives économiquement.  

« Le coût de l'éthanol de maïs est bien inférieur à celui de l'éthanol de canne à sucre, et sa production est beaucoup plus simple car elle ne nécessite pas d'intervention agricole. Après la récolte, le maïs peut être stocké, contrairement à la canne à sucre », souligne Pereira.  

Malgré ses avantages, le procédé de fermentation du maïs se heurte à un défi technique spécifique. La levure traditionnellement utilisée pour la production d'éthanol transforme facilement le sucre de la canne à sucre en éthanol. Or, le maïs ne contient pas ce type de sucre. Son principal composant est l'amidon, une longue chaîne de molécules de glucose que la levure ne peut pas métaboliser directement.  

Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de décomposer l'amidon en molécules plus petites avant la fermentation, grâce à un processus qui utilise deux enzymes appelées amylases. La première, l'alpha-amylase, agit à haute température, généralement au-dessus de 90 degrés Celsius, et fragmente l'amidon en fibres à chaîne moyenne. La seconde, la glucoamylase, agit pendant la fermentation et achève la décomposition, transformant ces fibres en molécules de glucose que la levure peut fermenter.  

Le problème est que l'alpha-amylase traditionnelle n'est active qu'à haute température, incompatible avec la fermentation qui se déroule aux alentours de 30 °C. Il est donc nécessaire de l'ajouter au préalable, lors d'une étape séparée, ce qui augmente le coût du procédé. De plus, même avec cette étape préalable, une partie de l'amidon, estimée à environ 10 %, n'est pas complètement dégradée et est finalement perdue pendant la fermentation, réduisant ainsi le rendement final en éthanol.  

Trouver la solution avec l'aide d'un ordinateur  

La technologie développée à Unicamp apporte une solution à ce problème. Grâce à des outils bioinformatiques et à l'analyse computationnelle de vastes bases de données génomiques, l'équipe a recherché des enzymes encore inexploitées chez les levures industrielles. Le critère le plus difficile à relever était de trouver une alpha-amylase capable de fonctionner à basse température, proche de celle de la fermentation, une propriété rare parmi les enzymes connues, la quasi-totalité d'entre elles ne fonctionnant qu'à haute température.  

« Il a fallu un effort considérable pour rechercher, parmi les millions de jeux de données protéiques accessibles au public provenant de tous les organismes séquencés, une alpha-amylase fonctionnelle à basse température. 99,9 % des alpha-amylases ne fonctionnent qu’à 80 degrés », explique Marcelo Falsarella Carazzolle, l’un des chercheurs à l’origine de cette technologie.  

Après avoir identifié les enzymes prometteuses, l'équipe a inséré les gènes correspondants dans une levure industrielle et créé une souche capable de produire de manière autonome la nouvelle alpha-amylase et une nouvelle glucoamylase, sans ajout externe de ces enzymes. Lors d'essais en laboratoire, en comparant cette nouvelle levure à une souche conventionnelle, les chercheurs ont vérifié que la nouvelle souche élimine totalement le besoin d'ajout externe de glucoamylase et est même capable de décomposer une partie de l'amidon résiduel habituellement perdu lors du procédé traditionnel.  

Cette double capacité représente un avantage direct pour l'industrie, avec la possibilité d'accroître la production d'éthanol en utilisant la même quantité de maïs, tout en réduisant les coûts liés à l'achat d'enzymes commerciales.  

Licences et potentiel de marché  

L'identification des enzymes a été réalisée en un peu plus de deux ans, un délai relativement court rendu possible par la reproduction rapide des micro-organismes utilisés. Bien que récents, les résultats obtenus ont déjà démontré un potentiel suffisant pour susciter l'intérêt du marché.  

Actuellement, l'invention est concédée sous licence à Bioinfood, une société dérivée d'Unicamp, qui valide la technologie à plus grande échelle et aide les chercheurs à accéder à l'amidon hydrolysé provenant de véritables procédés industriels, chose qui n'était pas possible à reproduire en laboratoire.  

D'après les chercheurs, cette nouvelle phase vise à confirmer à l'échelle industrielle les gains observés en laboratoire, notamment la réduction de l'amidon non utilisé dans le procédé conventionnel. Si ces résultats sont confirmés, la levure pourrait devenir un produit commercial important pour l'ensemble de la filière de production d'éthanol de maïs au Brésil.  

« Il s’agit d’une technologie de très haut niveau scientifique. Notre rôle est de la transformer en un produit commercial pertinent, avec toute la validation rigoureuse qu’exige une production à l’échelle industrielle », commente Gleidson Teixeira, cofondateur et directeur scientifique et commercial de Bioinfood.