La cellulose, qui contribue à donner aux parois cellulaires végétales leur structure rigide, s’avère prometteuse en tant que matière première renouvelable pour les biocarburants, si les chercheurs parviennent à accélérer le processus de production.

Comparée à la décomposition d’autres biocarburants tels que le maïs, la décomposition de la cellulose est lente et inefficace, mais elle peut éviter les soucis liés à l’utilisation d’une source de nourriture tout en profitant d’une matière végétale abondante qui autrement serait perdue. Les recherches menées par des chercheurs de Penn State ont révélé comment plusieurs barrières moléculaires ralentissent ce processus.

La dernière étude de l’équipe, publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciencesIl décrit le processus moléculaire par lequel le cellobiose (une fraction de deux saccharines de cellulose synthétisée lors de la dégradation de la cellulose) peut obstruer un pipeline et interférer avec la dégradation ultérieure de la cellulose.

L’équipe de recherche a identifié de nouveaux détails sur la manière dont les enzymes cellulases Cel7A (or) sont inhibées lorsque la cellulose (verte) est décomposée par le produit de dégradation de la cellulose, le cellobiose, au niveau de la « porte d’entrée » (1) et de la « porte arrière » (2). du tunnel catalytique Cel7A, et deux autres composants issus des parois cellulaires végétales, la lignine (marron) et le xylane (orange), qui réagissent avec la cellulose. Cette recherche promet de révéler de nouvelles stratégies pour décomposer efficacement la cellulose afin de produire de la bioénergie et des biomatériaux durables. Photo : Neria Zixer/Penn State.

Fermentation efficace

La production de biocarburants repose sur la décomposition de composés tels que l’amidon ou la cellulose en glucose, qui peut ensuite être efficacement fermenté en éthanol pour être utilisé comme carburant ou converti en d’autres substances utiles. L’option de biocarburant dominante sur le marché aujourd’hui est produite à partir de maïs, en partie parce que les amidons qu’il contient se décomposent facilement, selon les chercheurs.

« L’utilisation du maïs comme source de biocarburant suscite de nombreuses inquiétudes, notamment la concurrence avec l’approvisionnement alimentaire mondial et la grande quantité de gaz à effet de serre générée lorsque l’éthanol est produit à partir du maïs », explique Charles Anderson, professeur de biologie à l’Eberly College en Pennsylvanie. Science et auteur de l’article.

« Une alternative prometteuse consiste à décomposer la cellulose des parties non comestibles des plantes telles que les tiges de maïs, d’autres déchets végétaux tels que les résidus forestiers et des cultures dédiées qui peuvent être cultivées sur des terres marginales. Mais l’un des principaux obstacles à cela est donc… appelés biocarburants de deuxième génération d’être… Économiquement compétitif, le processus actuel de craquage de la cellulose est lent et inefficace.

« Nous utilisons une technique d’imagerie relativement nouvelle pour explorer les mécanismes moléculaires qui ralentissent ce processus. »

La cellulose est constituée de chaînes de glucose liées entre elles par des liaisons hydrogène pour former des structures cristallines. Les scientifiques utilisent des enzymes appelées cellulases, dérivées de champignons ou de bactéries, pour décomposer les matières végétales et extraire le glucose de la cellulose.

Structure cristalline de la cellulose

Mais les chercheurs affirment que la structure cristalline de la cellulose, combinée à d’autres composés appelés xylane et lignine, également présents dans les parois cellulaires, constitue un défi supplémentaire à la dégradation de la cellulose. Cependant, les techniques conventionnelles n’ont pas permis de révéler les mécanismes moléculaires spécifiques de ces décélérations.

Pour explorer ces mécanismes peu clairs, les chercheurs ont marqué chimiquement des lignées cellulaires avec des marqueurs fluorescents. Ils ont ensuite utilisé le microscope SCATTIRSTORM de Penn State, que l’équipe a conçu et construit dans ce but précis, pour suivre les molécules à chaque étape du processus d’effondrement et interpréter les vidéos résultantes à l’aide d’un traitement informatique et d’une modélisation biochimique.

« Les méthodes traditionnelles surveillent le processus de dégradation à plus grande échelle, en manipulant artificiellement l’emplacement de l’enzyme ou en capturant uniquement les molécules en mouvement, ce qui signifie que vous risquez de manquer une partie du processus qui se produit naturellement », explique Will Hancock, professeur de génie biomédical à l’Université de Californie. Université de Pennsylvanie. Government Engineering College et auteur de cet article.

« En utilisant le microscope SCATTIRSTORM, nous avons pu observer des enzymes cellulosiques individuelles en action pour vraiment comprendre ce qui ralentit ce processus et générer de nouvelles idées sur la façon de le rendre plus efficace. »

Plus précisément, les chercheurs ont étudié l’effet d’une enzyme cellulase fongique appelée Cel7A. Dans le cadre du processus de dégradation, Cel7A alimente la cellulose dans une sorte de tunnel moléculaire, où elle est hachée.

« Cel7A transporte la chaîne du glucose jusqu’à la « porte d’entrée » du tunnel, la chaîne est coupée et les produits sortent par la « porte arrière » dans ce qui ressemble à un pipeline », explique Daguan Nong, professeur adjoint de recherche en génie biomédical à UCLA. Penn State College of Engineering et premier auteur de cet article.

« Nous ne savons pas exactement comment l’enzyme attache la chaîne de glucose au tunnel ni ce qui se passe exactement à l’intérieur, mais nous savons grâce à des études antérieures que le produit qui sort par la porte arrière, le cellobiose, peut interférer avec le traitement ultérieur de la cellulose. » Maintenant, nous en savons plus sur la façon dont ils interagissent.

Fragments de cellobiose di-saccharide

À l’intérieur du tunnel, Cel7A coupe la cellulose, qui contient des unités répétitives de glucose, en fragments de cellobiose di-saccharide. Les chercheurs ont découvert que le cellobiose présent dans la solution peut se lier à la « porte arrière » du tunnel, ce qui pourrait ralentir la sortie des molécules de cellobiose ultérieures, car il bloque essentiellement le passage. En outre, ils ont découvert qu’il pouvait se lier au Cel7A près de la porte d’entrée, empêchant ainsi l’enzyme de se lier à de la cellulose supplémentaire.

« Étant donné que le cellobiose est très similaire à la cellulose, il n’est peut-être pas surprenant que de petits morceaux puissent pénétrer dans le tunnel », explique Hancock. « Maintenant que nous comprenons mieux comment le cellobiose perturbe les choses, nous pouvons explorer de nouvelles façons d’affiner ce processus. Par exemple, nous pouvons changer la porte avant ou arrière du tunnel ou modifier certains aspects de l’enzyme Cel7A. plus efficace pour prévenir cette inhibition.

« De nombreux travaux ont été réalisés pour concevoir des enzymes cellulases plus efficaces au cours des deux dernières décennies, et il s’agit d’une approche incroyablement puissante. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui limitent la dégradation de la cellulose nous aidera à diriger cet effort. »

Cette recherche s’appuie sur des travaux récents de l’équipe de recherche pour comprendre d’autres obstacles au processus de dégradation – le xylane et la lignine – qu’ils ont récemment publiés dans la revue RSC Durabilité et biotechnologie pour les biocarburants et les bioproduits.

« Nous avons découvert que le xylane et la lignine agissent de différentes manières pour interférer avec la dégradation de la cellulose », explique Neria Zixer, chercheuse postdoctorale en biologie au Eberly College of Science de Penn State et auteur principal de l’article RSC Sustainability.

« Le xylane recouvre la cellulose, réduisant ainsi la proportion d’enzymes qui peuvent se lier à la cellulose et la déplacer. La lignine inhibe la capacité de l’enzyme à se lier à la cellulose ainsi que son mouvement, réduisant ainsi la vitesse et la distance de l’enzyme. »

Bien qu’il existe des stratégies pour éliminer des composants tels que le xylane et la lignine de la cellulose, les chercheurs affirment que l’élimination du cellobiose est plus difficile. Une méthode utilise une deuxième enzyme pour séparer le cellobiose, mais ajoute un coût et une complexité supplémentaires au système.

« Environ 50 cents par gallon de coûts de production de bioéthanol concernent uniquement les enzymes, donc réduire ce coût au minimum contribuerait grandement à rendre le bioéthanol issu de déchets végétaux plus compétitif par rapport aux combustibles fossiles ou à l’éthanol extrait », explique Anderson à propos du maïs.  »

« Nous continuerons à étudier la manière dont les enzymes sont conçues et à explorer comment les enzymes fonctionnent ensemble dans le but de rendre ce processus aussi peu coûteux et efficace que possible. »

La NASA a capturé des images de la fusion de trous noirs la plus lointaine jamais réalisée, mais vous aurez besoin d’yeux d’aigle pour la repérer.

Les dernières images publiées par une équipe internationale d’astronomes représentent la première fois que ce phénomène est détecté si tôt dans l’univers.

Avec des masses millions à milliards de fois supérieures à la masse du Soleil dans les galaxies les plus massives de l’univers local, ces trous noirs sont susceptibles d’avoir un impact majeur sur l’évolution des galaxies dans lesquelles ils vivent.

Cependant, les scientifiques ne savent toujours pas comment ces objets peuvent devenir si massifs.

Grâce au télescope spatial James Webb, des preuves ont été fournies de la fusion en cours de deux galaxies et de leurs trous noirs massifs dans un système connu sous le nom de ZS7.

Agence spatiale européenne Il prétend fournir des données alors que l’univers n’avait que 740 millions d’années.

Les images montrent maintenant la preuve que les deux trous noirs ont fusionné, se rapprochant très près de l’orbite l’un de l’autre.

Cependant, ils deviennent visibles par l’illumination d’un gaz chaud hautement ionisé par un rayonnement énergétique.

Il apparaît comme un petit point rouge parmi d’autres étincelles brillantes dans l’univers et est extrêmement difficile à détecter.

Vous aurez certainement besoin d’yeux d’aigle pour le reconnaître.

Mais grâce à la netteté sans précédent de ses capacités d’imagerie, le télescope spatial James Webb a pu fournir une image rapprochée des fusions de trous noirs.

L’un des trous noirs est légèrement plus visible que l’autre, car sa masse est 50 millions de fois celle du Soleil.

Mais trois images distinctes permettent de faire la lumière sur ce phénomène étonnant.

Mesurer le deuxième trou noir est plus difficile car il est enfoui dans un gaz dense, a déclaré Roberto Maiolino, membre de l’équipe de l’ESA de l’Université de Cambridge et de l’University College London au Royaume-Uni.

L’auteur principal Hannah Opler, de l’Université de Cambridge, a déclaré : « Nos résultats suggèrent que la fusion est une voie importante par laquelle les trous noirs peuvent se développer rapidement, même à l’aube cosmique.

« Avec les autres découvertes de Webb sur les trous noirs massifs et actifs dans l’univers lointain, nos résultats montrent également que les trous noirs massifs façonnent l’évolution des galaxies depuis le début. »

Ailleurs, des images époustouflantes ont capturé le moment où une comète voyageant à 1 700 milles à l’heure a illuminé le ciel nocturne dans un spectacle rare.

Les astronomes ont été stupéfaits lorsqu’une boule de feu a transformé le ciel noir en bleu verdâtre dans certaines parties de l’Espagne et du Portugal.

Des images époustouflantes capturées par une caméra de voiture au Portugal montraient un objet bleu éblouissant en forme de boule de feu avec une longue queue tombant du ciel.

Halbom a noté que l’exploitation minière en haute mer pourrait avoir lieu à des profondeurs en dessous desquelles la vie n’a pas encore été décrite.

Entre autres choses, le limon des fonds marins, qui sera remué lors de l’extraction des nodules de manganèse, constitue une préoccupation majeure. Étant donné que la vie dans les profondeurs marines est largement inconnue, l’assombrissement des eaux créera des effets totalement inconnus.

Pour ses recherches, Halbom a mené des expériences en utilisant différents instruments pour mesurer la quantité et la taille des particules en suspension dans l’eau. Au fond du Clarion-Clipperton Tract, une vaste zone située au fond de l’océan Pacifique, elle a effectué des mesures avec ces instruments avant et après avoir traîné un réseau de 500 kilogrammes de chaînes en acier sur le fond.

Le scientifique a noté : « La première chose qui attire votre attention lorsque vous effectuez des mesures dans cette zone est la clarté inimaginable de l’eau qui est naturellement. » « Après avoir tiré les chaînes d’avant en arrière sur 500 mètres, la grande majorité des matériaux agités se sont déposés en seulement quelques centaines de mètres. Cependant, nous avons également constaté qu’une petite partie des matériaux de fond agités était encore visible à des centaines de mètres. le site de test. » mètres au-dessus du fond et l’eau était plus sombre que d’habitude sur de longues distances depuis le site de test.

Dans une étude de suivi, à laquelle Halbom n’a pas participé, des « nuages ​​​​de poussière » étaient visibles même jusqu’à cinq kilomètres du site d’essai.

Les entreprises qui se disputent des concessions pour extraire des minéraux des fonds marins exploitent les résultats de ces expériences préliminaires comme une indication de l’impact réduit de l’exploitation minière en eaux profondes sur la vie au fond des mers. Cependant, cela est injustifié, a déclaré Henko de Stegter, co-promoteur des recherches de Halbom et océanographe à l’Institut royal néerlandais de recherche marine.

« Certes, sur la base de cette recherche doctorale et également des recherches ultérieures, nous savons que la grande majorité de la poussière se dépose rapidement », a-t-il ajouté. « Mais si l’on prend en compte la pureté habituelle de cette eau et de cette vie. en haute mer dépend d’une nourriture extrêmement rare dans l’eau, « Cette dernière partie peut avoir un impact important ».

Halbom et De Stegter appellent à davantage de recherches avant de faire des déclarations fermes sur l’impact de l’exploitation minière en haute mer.

« Il est vraiment trop tôt pour dire à ce stade à quel point ce dernier morceau de poussière qui pourrait se propager sur de si grandes distances pourrait être nocif ou nocif », a souligné De Stegter.