Comment la biologie de synthèse pourrait aider à dégrader les déchets plastiques

Après une année de stag­na­tion due à la crise san­i­taire en 2020, la pro­duc­tion mon­di­ale de plas­tiques est repar­tie à la hausse : 390 mil­lions de tonnes en ont été pro­duites en 2021, dont 90 % à par­tir de ressources fos­siles¹. Une fois util­isées, la majorité d’entre elles finiront vraisem­blable­ment dans l’environnement, où elles s’ajouteront aux 5 mil­liards de tonnes déjà accu­mulées en 2015, soit 79 % de l’ensemble des déchets plas­tiques pro­duits par l’humanité². Les prob­lèmes envi­ron­nemen­taux posés par ces matéri­aux sont nom­breux. Les micro-organ­ismes pour­raient-ils aider à les résoudre ?

Si les plas­tiques sont des pol­lu­ants pour l’immense majorité des êtres vivants, cer­taines bac­téries et champignons ont acquis la capac­ité d’en faire une source d’énergie. Repérées dans le sol, la mer ou les intestins de quelques ani­maux, plusieurs espèces de micro-organ­ismes peu­vent s’attaquer à dif­férents types de plas­tiques (PET, PP, PS, PE, PUR, PLA…) grâce à des enzymes altérant ces longues chaînes d’hydrocarbures³. Néan­moins, cela ne veut pas dire qu’il suf­fit de les met­tre au con­tact du bon plas­tique pour qu’elles le fassent disparaître.

Le proces­sus est plus effi­cace lorsque les plas­tiques ont déjà été abîmés, par exem­ple par les UV ou des traite­ments chim­iques, et quand les micro-organ­ismes sont placés dans des con­di­tions de pH et de tem­péra­ture opti­males⁴. Reste que chaque espèce n’est active que sur cer­tains plas­tiques et que pou­voir atta­quer un matéri­au n’implique pas d’être capa­ble de le dégrad­er entière­ment. Même les souch­es qui ont attiré le plus d’attention, comme Ideonel­la sakaien­sis, une bac­térie qui découpe le PET en ses monomères con­sti­tu­tifs⁵, ont une lim­i­ta­tion majeure : il leur faut quelques semaines, voire mois, pour dégrad­er des quan­tités lim­itées de plas­tiques. Autant dire que ces micro-organ­ismes « mangeurs » de plas­tiques n’ont rien d’une solu­tion idéale pour gér­er notre pol­lu­tion. Mais ils pour­raient quand même nous apporter une aide précieuse !

Les pro­grès de la géné­tique, à la fois en ter­mes de com­préhen­sion des mécan­ismes impliqués, d’anticipation des résul­tats pos­si­bles et de développe­ment d’outils molécu­laires, per­me­t­tent désor­mais de mod­i­fi­er volon­taire­ment des génomes, notam­ment pour faire syn­thé­tis­er des pro­téines d’intérêt à des organ­ismes. De nom­breux pro­jets de recherche en biolo­gie passent aujourd’hui par la pro­duc­tion de cel­lules voire d’individus sur- ou sous-exp­ri­mant cer­tains gènes. Les mod­i­fi­ca­tions géné­tiques per­me­t­tant de les obtenir relèvent presque de l’artisanat, chaque chercheur fab­ri­quant ce dont il a besoin. Mais cette démarche peut être adap­tée à une toute autre échelle !

Depuis l’an 2000, la biolo­gie syn­thé­tique pro­pose d’appliquer les méth­odes de l’ingénierie à la biolo­gie molécu­laire. Elle con­sid­ère les gènes et autres séquences d’ADN (notam­ment régu­la­tri­ces) comme autant de briques de départ, qui peu­vent être opti­misées et com­binées dans une logique d’ingénierie métabolique. Les nou­velles voies de syn­thèse biologique ain­si imag­inées sont ensuite implanta­bles dans des cel­lules, générale­ment de micro-organ­ismes, qui devi­en­nent autant de petites usines de pro­duc­tion géné­tique­ment mod­i­fiées. Cette approche a ses lim­ites, la prin­ci­pale étant la com­plex­ité chao­tique du vivant. Une voie de syn­thèse qui sem­ble opti­male en théorie ne fonc­tionne pas tou­jours en pra­tique, une fois con­fron­tée à la réal­ité du con­texte d’une cel­lule. Et le pas­sage à large échelle, indis­pens­able pour de nom­breuses appli­ca­tions, con­stitue un niveau de dif­fi­culté sup­plé­men­taire : les sys­tèmes vivants restent sou­vent sen­si­bles et imprévisibles. 

Néan­moins, en une ving­taine d’années, la biolo­gie de syn­thèse est dev­enue bien plus qu’une vision théorique. De nom­breuses entre­pris­es pari­ent sur cette approche, qui a déjà per­mis la com­mer­cial­i­sa­tion de dif­férents pro­duits dans des domaines aus­si var­iés que la médecine, l’alimentation ou les matéri­aux⁷. Nour­rie par des pro­grès biotech­nologiques comme la syn­thèse d’ADN, le séquençage haut-débit ou les nou­velles tech­niques d’édition géné­tique, s’appuyant sur des out­ils infor­ma­tiques de plus en plus per­for­mants et inté­grant de nou­velles con­nais­sances struc­turées dans des bases de don­nées de plus en plus rich­es, il parait raisonnable de s’attendre à ce que la biolo­gie de syn­thèse pro­duise des per­cées⁸.

Les micro-organ­ismes capa­bles de dégrad­er des plas­tiques ne le font peut-être pas avec une effi­cac­ité suff­isante pour être utiles à large échelle, mais leur étude four­nit de nou­velles muni­tions à la biolo­gie de syn­thèse ! Chaque enzyme décou­verte vient en effet enrichir le cat­a­logue des out­ils disponibles pour imag­in­er et opti­miser des voies métaboliques. Et la mod­i­fi­ca­tion de ces pro­téines après avoir étudié leur struc­ture per­met par­fois d’en obtenir des ver­sions encore plus effi­caces, seule­ment quelques années après leur décou­verte⁹¹⁰.

Con­traire­ment à d’autres méth­odes de recy­clage, qui impliquent une perte de qual­ité des matéri­aux, le pas­sage par des voies de dégra­da­tion biologiques per­met de revenir aux monomères con­sti­tu­tifs des plas­tiques. Ceux-ci peu­vent ensuite être réassem­blés pour obtenir un pro­duit équiv­a­lent à du neuf, sans con­trainte sur les couleurs ou les types d’objets fab­ri­ca­bles. Il reste cepen­dant des prob­lèmes à con­tourn­er. D’une part, cette décon­struc­tion des plas­tiques libère les addi­tifs ajoutés dans ces matéri­aux, qui doivent être gérés de leur côté. D’autre part, ces approches restent plus coû­teuses que la pro­duc­tion à par­tir de ressources fos­siles, et des inci­ta­tions seront néces­saires pour pouss­er les indus­triels à les met­tre en œuvre. Sans compter que les ren­de­ments n’étant jamais par­faits, le cycle de vie des plas­tiques ne sera pas infi­ni pour autant. Enfin, même s’ils ne sont plus pure­ment théoriques, ces procédés restent encore en cours de mise au point !

Par­mi les pio­nniers de la dégra­da­tion des plas­tiques grâce à la biolo­gie de syn­thèse se trou­ve une entre­prise française : Car­bios. Celle-ci a dévelop­pé un procédé basé sur une enzyme appelée LCC, iden­ti­fiée en 2012 par des chercheurs japon­ais ayant réal­isé l’analyse métagénomique d’un com­post¹¹. Com­parée avec d’autres pro­téines capa­bles de dégrad­er le PET, la LCC s’est avérée par­ti­c­ulière­ment effi­cace. Des muta­tions ont per­mis d’améliorer son activ­ité et sa résis­tance à la tem­péra­ture, pour pro­duire des monomères qui ont effec­tive­ment per­mis de refab­ri­quer du PET de qual­ité com­pa­ra­ble à du neuf, à un coût raisonnable¹². Après avoir mis en place un démon­stra­teur indus­triel¹³, l’entreprise pour­suit son développe­ment avec la con­struc­tion d’un pre­mier site de biore­cy­clage¹⁴. 

Au-delà de cet exem­ple, le nom­bre de brevets liés au recy­clage des plas­tiques et au développe­ment de matéri­aux alter­nat­ifs mon­tre le dynamisme de ce secteur¹⁵, qui intéresse aus­si bien les indus­triels que la recherche fon­da­men­tale. Seule ou en com­bi­nai­son avec d’autres approches¹⁶, la biolo­gie de syn­thèse est un des out­ils qui pour­raient per­me­t­tre de lim­iter la pol­lu­tion liée à la pro­duc­tion et à l’utilisation des plastiques. 

Cela ne doit cepen­dant pas faire oubli­er les nom­breuses ques­tions que soulève son usage. Cer­taines sont très con­crètes, comme la ges­tion des addi­tifs, l’amélioration des ren­de­ments, l’optimisation des coûts, l’adaptation aux dif­férents types de plas­tiques et, générale­ment, les dif­fi­cultés de mise au point et de pas­sage à l’échelle. D’autres touchent à des prob­lé­ma­tiques plus déli­cates. En effet, les micro-organ­ismes pro­duits par la biolo­gie de syn­thèse sont géné­tique­ment mod­i­fiés. Ce qui ne manque pas d’interroger sur la brevetabil­ité du vivant, mais aus­si sur les risques de libéra­tion dans le milieu naturel. Car si la capac­ité à dégrad­er les plas­tiques est utile dans un con­texte de ges­tion de déchets, il paraît impor­tant d’en garder le contrôle. 

De façon générale, la marche est encore haute pour attein­dre une util­i­sa­tion raisonnable des plas­tiques. La mise en place d’une réelle économie cir­cu­laire est un défi en soi¹⁷, la réduc­tion de notre dépen­dance à ces matières dev­enues omniprésentes en est une autre. S’il est per­ti­nent de con­sid­ér­er chaque out­il per­me­t­tant d’avancer dans la bonne direc­tion, aucun d’entre eux ne sera suff­isant pour régler à lui seul l’ensemble des problèmes.