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’en​vi​ron​ne​ment, où elles s’a​jou​te​ront aux 5 mil­liards de tonnes déjà accu­mu­lées en 2015, soit 79 % de l’en​semble des déchets plas­tiques pro­duits par l’hu​ma​ni​té². 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’im​mense majo­ri­té des êtres vivants, cer­taines bac­té­ries et cham­pi­gnons ont acquis la capa­ci­té d’en faire une source d’éner​gie. Repé­rées dans le sol, la mer ou les intes­tins de quelques ani­maux, plu­sieurs espèces de micro-orga­nismes peuvent s’at​ta​quer à dif­fé­rents types de plas­tiques (PET, PP, PS, PE, PUR, PLA…) grâce à des enzymes alté­rant ces longues chaînes d’hy​dro​car​bures³. 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’im​plique pas d’être capable de le dégra­der entiè­re­ment. Même les souches qui ont atti­ré le plus d’at​ten​tion, 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’an​ti​ci​pa​tion des résul­tats pos­sibles et de déve­lop­pe­ment d’ou​tils molé­cu­laires, per­mettent désor­mais de modi­fier volon­tai­re­ment des génomes, notam­ment pour faire syn­thé­ti­ser des pro­téines d’in​té​rêt à des orga­nismes. De nom­breux pro­jets de recherche en bio­lo­gie passent aujourd’​hui par la pro­duc­tion de cel­lules voire d’in​di​vi​dus sur- ou sous-expri­mant cer­tains gènes. Les modi­fi­ca­tions géné­tiques per­met­tant de les obte­nir relèvent presque de l’ar​ti​sa​nat, 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’ap​pli​quer les méthodes de l’in​gé​nie​rie 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’in​gé​nie​rie 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’an​nées, 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’a​li​men​ta​tion ou les matériaux⁷. Nour­rie par des pro­grès bio­tech­no­lo­giques comme la syn­thèse d’ADN, le séquen­çage haut-débit ou les nou­velles tech­niques d’é​di​tion géné­tique, s’ap​puyant 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’at​tendre 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’ob​jets 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’é​tant 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’a​mé​lio​rer 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’en​tre​prise 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’u​ti​li​sa​tion 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’a​mé​lio​ra​tion des ren­de­ments, l’op​ti​mi​sa​tion des coûts, l’a​dap​ta​tion aux dif­fé­rents types de plas­tiques et, géné­ra­le­ment, les dif­fi­cul­tés de mise au point et de pas­sage à l’é​chelle. 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’in​ter​ro​ger 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’a​van​cer dans la bonne direc­tion, aucun d’entre eux ne sera suf­fi­sant pour régler à lui seul l’en​semble des problèmes.