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La pollution par les hydrocarbures est l’une des causes les plus graves de contamination de l’environnement et affecte grandement les écosystèmes, les entreprises et les communautés 3. Des solutions sont par exemple nécessaires pour lutter contre la pollution continue par les hydrocarbures provenant des eaux de résidus des sables bitumineux en Alberta, au Canada. Au cours du processus d’extraction du pétrole des sables bitumineux, le bitume, une forme oxydée semi-solide du pétrole, est éliminé à l’aide de techniques de récupération thermique qui consomment environ 3,1 barils d’eau par baril de pétrole 1. L’eau de traitement contaminée par le pétrole, provenant principalement d’une rivière locale, est stockée dans des bassins de résidus après l’extraction du bitume. Un recyclage plus efficace de l’eau de traitement afin de réduire le besoin d’absorption d’eau douce est nécessaire. Afin de faciliter l’extraction du bitume et de s’assurer que les sites en aval respectent les recommandations en matière de qualité de l’eau pour la protection des écosystèmes aquatiques, les traitements des eaux de procédé évoluent rapidement 3.
Pour traiter la pollution des composés organiques, les technologies de biorestauration utilisant des micro-organismes sont actuellement encouragées 1. Les alcanes sont la famille d’hydrocarbures la plus abondante dans le pétrole brut, contenant 5 à 40 atomes de carbone par molécule 7, 21. De nombreuses bactéries sont connues pour dégrader des alcanes de différentes longueurs par oxydation séquentielle du groupe méthyle terminal, formant d’abord des alcools, puis des aldéhydes et enfin des acides gras 8. Dans le cadre de ce projet iGEM, plusieurs enzymes de différents organismes ont été exprimées et caractérisées, et mises à disposition via la norme BioBrick et le Registry of Standard Biological Parts.
Le système alcane hydroxylase bien étudié de Gordonia sp. TF6 facilite l’étape initiale d’oxydation des alcanes C5-C 13 ainsi que celle des cycloalcanes C5-C 8 en utilisant un minimum de quatre composants : alkB2 (alcane 1-monooxygénase), rubA3, rubA4 (deux rubrédoxines) et RubB (rubrédoxine réductase) 8, 21. L’oxydation des alcanes à longue chaîne (allant deC15 àC36) serait réalisée par ladA, une alcane monooxygénase flavoprotéique de Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2 7, 15, 18, 22. LadA forme un complexe catalytique avec du mononucléotide de flavine (FMN) qui utilise l’oxygène atomique pour l’oxydation. Cela se traduit par la conversion des alcanes en alcanol primaire correspondant. Les alcools sont ensuite oxydés par l’alcool et les aldéhydes déshydrogénases en acides gras, qui pénètrent facilement dans la voie de β-oxydation 7, 21. Une alcool déshydrogénase indépendante du zinc de la bactérie thermophile Geobacillus thermoleovorans B23 oxyde les alcanols à chaîne moyenne en leurs alcanaux respectifs, en utilisant le NAD+ comme cofacteur 10. L’aldéhyde déshydrogénase de la même bactérie est capable de catalyser l’étape finale dépendante du NAD+ dans l’oxydation de la chaîne moyenne 11.
Afin de réduire les coûts d’induction et de maintenir une prolifération optimale du système bactérien, le promoteur pCaiF d’E.coli a été caractérisé. Ce promoteur peut réguler l’expression des composants de la voie de dégradation des hydrocarbures et est régulé par les niveaux de cAMP-Crp, qui dépendent à leur tour des niveaux de glucose 6. À des concentrations élevées de glucose extracellulaire dans l’environnement, le taux d’AMPc cellulaire (adénosine mononucléotide phosphate) cellulaire était faible en raison de l’inhibition de l’adénylyl cyclase en tant qu’effet secondaire du transport du glucose médié par le SPT. Inversement, lors de la limitation (faibles concentrations de glucose), le taux d’AMPc a augmenté et la Crp s’est liée à l’AMPc pour former le complexe AMPc-Crp, qui a lié pCaiF et activé la transcription des composants en aval 6, 14.
E. coli de type sauvage ne peut tolérer que des concentrations modérées d’hydrocarbures. Pour compléter la boîte à outils, la tolérance aux hydrocarbures a dû être abordée. Plusieurs bactéries organiques tolérantes aux solvants sont connues pour survivre dans les systèmes biphasiques eau-solvant 12. Les composants moléculaires connus pour augmenter la tolérance sont des chaperons qui facilitent le repliement correct des protéines. Il a été démontré que le système de prépliline de Pyrococcus horikoshii OT3, composé des protéines phPFDα et phPFDβ, augmente la tolérance aux hydrocarbures 17.
La boîte à outils de conversion des alcanes a été construite selon le principe BioBrick, qui est documenté dans le Registry of Standard Biological Parts 9. Les BioBricks sont des plasmides contenant un insert fonctionnel spécifique qui est flanqué de 4 sites de restriction prédéfinis. Les inserts BioBrick peuvent être étendus de manière flexible, ce qui permet de construire des systèmes biologiques avec de nouvelles fonctions.