Des scientifiques ont développé une nouvelle classe de biocarburants à haute densité énergétique basée sur l’une des molécules les plus uniques de la nature

La conversion du pétrole en carburants implique une chimie brute inventée pour la première fois par les humains dans les années 1800. Pendant ce temps, les bactéries produisent des molécules d’énergie à base de carbone depuis des milliards d’années. Selon vous, lequel est le meilleur au travail?

Conscient des avantages de la biologie, un groupe d’experts en biocarburants dirigé par Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) s’est inspiré d’une extraordinaire molécule antifongique fabriquée par Streptomyces bactéries pour développer un type de carburant totalement nouveau qui a projeté une densité d’énergie supérieure aux carburants lourds les plus avancés utilisés aujourd’hui, y compris les carburants pour fusées utilisés par la NASA.

“Cette voie biosynthétique fournit une voie propre vers des carburants à haute densité énergétique qui, avant ces travaux, ne pouvaient être produits qu’à partir de pétrole en utilisant un processus de synthèse hautement toxique”, a déclaré le chef de projet Jay Keasling, pionnier de la biologie synthétique et PDG du Département. de l’Energy’s Joint BioEnergy Institute (JBEI). “Comme ces carburants seraient produits à partir de bactéries nourries avec de la matière végétale – qui est fabriquée à partir de dioxyde de carbone extrait de l’atmosphère – leur combustion dans les moteurs réduira considérablement la quantité de gaz à effet de serre ajouté par rapport à tout carburant généré à partir du pétrole.”

L’incroyable potentiel énergétique de ces molécules candidates carburant, appelées POP-FAME (pour polycylcopropanated methyl esters d’acides gras), provient de la chimie fondamentale de leurs structures. Les molécules polycyclopropanées contiennent de multiples anneaux à trois carbones en forme de triangle qui forcent chaque liaison carbone-carbone dans un angle aigu de 60 degrés. L’énergie potentielle dans cette liaison tendue se traduit par plus d’énergie pour la combustion que ce qui peut être obtenu avec les structures annulaires plus grandes ou les chaînes carbone-carbone que l’on trouve généralement dans les carburants. De plus, ces structures permettent aux molécules de carburant de se regrouper étroitement dans un petit volume, augmentant la masse – et donc l’énergie totale – du carburant qui tient dans un réservoir donné.

“Avec les carburants pétrochimiques, vous obtenez une sorte de soupe de molécules différentes et vous n’avez pas beaucoup de contrôle précis sur ces structures chimiques. Mais c’est ce que nous avons utilisé pendant longtemps et nous avons conçu tous nos moteurs pour qu’ils fonctionnent au pétrole. dérivés », a déclaré Eric Sundstrom, auteur de l’article décrivant les candidats carburants POP publié dans la revue Joule, et chercheur à l’Unité de développement de processus de biocarburants et de bioproduits avancés (ABPDU) de Berkeley Lab.

“Le plus grand consortium à l’origine de ce travail, Co-Optima, a été financé pour réfléchir non seulement à la recréation des mêmes carburants à partir de matières premières biosourcées, mais également à la manière dont nous pouvons fabriquer de nouveaux carburants avec de meilleures propriétés”, a déclaré Sundstrom. “La question qui a conduit à cela est:” Quels types de structures intéressantes la biologie peut-elle créer que la pétrochimie ne peut pas créer? “”

Une quête de l’anneau(x)

Keasling, qui est également professeur à l’UC Berkeley, a longtemps eu l’œil sur les molécules de cyclopropane. Il avait parcouru la littérature scientifique pour trouver des composés organiques avec des cycles à trois carbones et n’avait trouvé que deux exemples connus, tous deux fabriqués par Streptomyces bactéries qui sont presque impossibles à cultiver dans un environnement de laboratoire. Heureusement, l’une des molécules avait été étudiée et analysée génétiquement en raison de l’intérêt porté à ses propriétés antifongiques. Découvert en 1990, le produit naturel porte le nom de jawsamycin, car ses cinq anneaux de cyclopropane sans précédent le font ressembler à une mâchoire remplie de dents pointues.

L’équipe de Keasling, composée de scientifiques du JBEI et de l’ABPDU, a étudié les gènes de la souche d’origine (S. roseoverticillatus) qui codent les enzymes de construction de la jawsamycine et ont plongé profondément dans les génomes de Streptomyces, à la recherche d’une combinaison d’enzymes qui pourraient former une molécule avec les anneaux dentaires de la jawsamycine tout en sautant les autres parties de la structure. Tel un boulanger réécrivant des recettes pour inventer le dessert parfait, l’équipe espérait remixer la machinerie bactérienne existante pour créer une nouvelle molécule aux propriétés combustibles prêtes à brûler.

Le premier auteur Pablo Cruz-Morales a pu assembler tous les ingrédients nécessaires pour fabriquer des POP-FAME après avoir découvert de nouvelles enzymes de fabrication de cyclopropane dans une souche appelée S. albieticuli. “Nous avons recherché dans des milliers de génomes des voies qui produisent naturellement ce dont nous avions besoin. De cette façon, nous avons évité l’ingénierie qui peut ou non fonctionner et avons utilisé la meilleure solution de la nature”, a déclaré Cruz-Morales, chercheur principal au Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Université technique du Danemark et co-chercheur principal du laboratoire de produits naturels de levure avec Keasling.

Malheureusement, les bactéries n’étaient pas aussi coopératives en matière de productivité. Omniprésent dans les sols de tous les continents, Streptomyces sont célèbres pour leur capacité à fabriquer des produits chimiques inhabituels. “Beaucoup de médicaments utilisés aujourd’hui, tels que les immunosuppresseurs, les antibiotiques et les médicaments anticancéreux, sont fabriqués par des Streptomyces”, dit Cruz-Morales. “Mais ils sont très capricieux et il n’est pas agréable de travailler avec eux au labo. Ils ont du talent, mais ce sont des divas.” Lorsque deux ingénieurs différents Streptomyces n’a pas réussi à fabriquer des POP-FAME en quantités suffisantes, lui et ses collègues ont dû copier leur groupe de gènes nouvellement arrangé dans un parent plus “apprivoisé”.

Les acides gras résultants contiennent jusqu’à sept cycles cyclopropane enchaînés sur un squelette carboné, ce qui leur a valu le nom de fuelimycines. Dans un processus similaire à la production de biodiesel, ces molécules ne nécessitent qu’une seule étape de traitement chimique supplémentaire avant de pouvoir servir de carburant.

Maintenant on cuisine au cyclopropane

Bien qu’ils n’aient pas encore produit suffisamment de molécules de carburant candidates pour les tests sur le terrain — “vous avez besoin de 10 kilogrammes de carburant pour faire un test dans un vrai moteur de fusée, et nous n’en sommes pas encore là”, a expliqué Cruz-Morales en riant – – ils ont pu évaluer les prédictions de Keasling sur la densité d’énergie.

Des collègues du Pacific Northwest National Laboratory ont analysé les POP-FAME avec la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pour prouver la présence des anneaux de cyclopropane insaisissables. Et les collaborateurs des Sandia National Laboratories ont utilisé des simulations informatiques pour estimer les performances des composés par rapport aux carburants conventionnels.

Les données de simulation suggèrent que les carburants POP candidats sont sûrs et stables à température ambiante et auront des valeurs de densité énergétique de plus de 50 mégajoules par litre après traitement chimique. L’essence ordinaire a une valeur de 32 mégajoules par litre, le JetA, le carburéacteur le plus courant, et le RP1, un carburant de fusée populaire à base de kérosène, en ont environ 35.

Au cours de leurs recherches, l’équipe a découvert que leurs POP-FAME ont une structure très proche d’un carburant de fusée expérimental à base de pétrole appelé Syntin développé dans les années 1960 par l’agence spatiale de l’Union soviétique et utilisé pour plusieurs lancements réussis de fusées Soyouz dans le années 70 et 80. Malgré ses performances puissantes, la fabrication de Syntin a été interrompue en raison des coûts élevés et du processus désagréable impliqué : une série de réactions synthétiques avec des sous-produits toxiques et un intermédiaire instable et explosif.

“Bien que les POP-FAME partagent des structures similaires à Syntin, beaucoup ont des densités d’énergie supérieures. Des densités d’énergie plus élevées permettent des volumes de carburant plus faibles, ce qui, dans une fusée, peut permettre une augmentation des charges utiles et une diminution des émissions globales”, a déclaré l’auteur Alexander Landera, un scientifique du personnel de Sandia. L’un des prochains objectifs de l’équipe est de créer un processus pour éliminer les deux atomes d’oxygène sur chaque molécule, ce qui ajoute du poids mais aucun avantage de combustion. “Lorsqu’elles sont mélangées à un carburéacteur, les versions correctement désoxygénées des POP-FAME peuvent offrir un avantage similaire”, a ajouté Landera.

Depuis la publication de leur document de preuve de concept, les scientifiques ont commencé à travailler pour augmenter encore plus l’efficacité de production des bactéries afin d’en générer suffisamment pour les tests de combustion. Ils étudient également comment la voie de production multi-enzymes pourrait être modifiée pour créer des molécules polycyclopropanées de différentes longueurs. “Nous travaillons sur le réglage de la longueur de la chaîne pour cibler des applications spécifiques”, a déclaré Sundstrom. “Les carburants à chaîne plus longue seraient des solides, bien adaptés à certaines applications de carburant de fusée, des chaînes plus courtes pourraient être meilleures pour le carburéacteur, et au milieu pourrait être une molécule alternative au diesel.”

L’auteur Corinne Scown, directrice de l’analyse technico-économique de JBEI, a ajouté : « La densité d’énergie est tout en ce qui concerne l’aviation et les fusées et c’est là que la biologie peut vraiment briller. L’équipe peut fabriquer des molécules de carburant adaptées aux applications dont nous avons besoin dans ces secteurs en évolution rapide. .”

Finalement, les scientifiques espèrent transformer le processus en une souche de bactéries qui pourrait produire de grandes quantités de molécules de POP à partir de sources de déchets végétaux (comme des résidus agricoles non comestibles et des broussailles nettoyées pour la prévention des incendies de forêt), ce qui en ferait potentiellement le carburant neutre en carbone ultime.

Qui est partant pour un voyage spatial éco-responsable ?

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie et le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables. JBEI est un centre de recherche de l’Office of Science Bioenergy.