Le premier Grand Défi J-WAFS vise à développer des variantes de culture améliorées et à les transférer du laboratoire aux terres cultivées.

Develop improved crop variants and transfer them from the laboratory to cultivated lands in the first J-WAFS Grand Challenge.

Matt Shoulders dirigera une équipe interdisciplinaire pour améliorer RuBisCO – l’enzyme de la photosynthèse considérée comme le Graal pour améliorer le rendement agricole.

Selon la charte du MIT, établie en 1861, une partie de la mission de l’Institut est de faire avancer le « développement et l’application pratique de la science en relation avec les arts, l’agriculture, les manufactures et le commerce ». Aujourd’hui, le laboratoire sur les systèmes d’eau et de nourriture Abdul Latif Jameel (J-WAFS) est l’une des forces motrices de la recherche liée à l’eau et à la nourriture sur le campus, dont une grande partie est liée à l’agriculture. En 2022, J-WAFS a lancé la Bourse du Grand Défi de l’Eau et de la Nourriture pour inspirer les chercheurs du MIT à travailler en vue d’un avenir sûr pour l’eau et la nourriture sur notre planète en mutation. Tout comme les grands défis climatiques du MIT, le Grand Défi de J-WAFS cherche à valoriser plusieurs domaines d’expertise, de programmes et de ressources de l’Institut. L’appel initial aux déclarations d’intérêt a retourné 23 lettres de chercheurs du MIT couvrant 18 départements, laboratoires et centres. J-WAFS a organisé des ateliers pour permettre aux proposants de présenter et de discuter de leurs idées initiales. Ces dernières ont été réduites à un ensemble plus restreint de documents conceptuels invités, suivis de la phase de proposition finale.

Aujourd’hui, J-WAFS est heureux d’annoncer que la première Bourse du Grand Défi de J-WAFS a été attribuée à une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Matt Shoulders et le chercheur scientifique Robert Wilson du département de chimie. Un panel d’experts examinateurs externes a fortement recommandé leur proposition, qui aborde un problème de longue date en biologie des cultures : comment rendre la photosynthèse plus efficace. L’équipe recevra 1,5 million de dollars sur trois ans pour faciliter un projet de recherche à plusieurs étapes qui combine des innovations de pointe en biologie synthétique et computationnelle. Si ce projet réussit, il pourrait créer des avantages majeurs pour l’agriculture et les systèmes alimentaires dans le monde entier.

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« Les systèmes alimentaires sont une source majeure d’émissions mondiales de gaz à effet de serre, et ils sont également de plus en plus vulnérables aux impacts du changement climatique. C’est pourquoi, lorsque nous parlons de changement climatique, nous devons parler de systèmes alimentaires, et vice versa », déclare Maria T. Zuber, vice-présidente de la recherche du MIT. « J-WAFS est au cœur des efforts du MIT pour relever les défis interdépendants du climat, de l’eau et de l’alimentation. Ce nouveau programme de bourses vise à catalyser des projets innovants qui auront des impacts réels et significatifs sur l’eau et l’alimentation. Je félicite le professeur Shoulders et le reste de l’équipe de recherche pour être les premiers récipiendaires de cette bourse. »

Shoulders travaillera avec Bryan Bryson, professeur associé de génie biologique, ainsi qu’avec Bin Zhang, professeur associé de chimie, et Mary Gehring, professeur au département de biologie et à l’Institut Whitehead pour la recherche biomédicale. Robert Wilson du laboratoire Shoulders coordonnera l’effort de recherche. L’équipe du MIT travaillera avec des collaborateurs externes, Spencer Whitney, professeur à l’Université nationale australienne, et Ahmed Badran, professeur adjoint à l’Institut de recherche Scripps. Une collaboration basée sur des jalons aura également lieu avec Stephen Long, professeur à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. Le groupe se compose d’experts en évolution dirigée continue, en apprentissage automatique, en simulations de dynamique moléculaire, en biochimie des plantes translationnelles et en essais sur le terrain.

« Ce projet vise à améliorer fondamentalement l’enzyme RuBisCO que les plantes utilisent pour convertir le dioxyde de carbone en molécules riches en énergie qui constituent notre nourriture », déclare John H. Lienhard V, directeur de J-WAFS. « Ce problème difficile est un véritable grand défi, nécessitant des ressources considérables. Avec le soutien de J-WAFS, cet objectif tant recherché pourrait enfin être atteint grâce à la recherche de pointe du MIT », ajoute-t-il.

RuBisCO : Non, ce n’est pas un nouveau céréale petit déjeuner; cela pourrait être la clé d’une révolution agricole

Une population mondiale croissante, les effets du changement climatique et les conflits sociaux et politiques comme la guerre en Ukraine menacent tous les approvisionnements alimentaires, en particulier les cultures céréalières. Les projections actuelles estiment que la production de cultures doit augmenter d’au moins 50 % au cours des 30 prochaines années pour répondre aux demandes alimentaires. Un obstacle clé à l’augmentation des rendements des cultures est une enzyme photosynthétique appelée Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO). Pendant la photosynthèse, les cultures utilisent l’énergie recueillie à partir de la lumière pour extraire le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère et le transformer en sucres et en cellulose pour la croissance, un processus connu sous le nom de fixation du carbone. RuBisCO est essentiel pour capter le CO2 de l’air afin d’initier la conversion du CO2 en molécules riches en énergie telles que le glucose. Cette réaction se produit pendant la deuxième étape de la photosynthèse, également connue sous le nom de cycle de Calvin. Sans RuBisCO, les réactions chimiques qui représentent pratiquement toute l’acquisition de carbone dans la vie ne pourraient pas se produire.

Malheureusement, RuBisCO présente des lacunes biochimiques. Notamment, l’enzyme agit lentement. De nombreuses autres enzymes peuvent traiter un millier de molécules par seconde, mais RuBisCO dans les chloroplastes fixe moins de six molécules de dioxyde de carbone par seconde, limitant souvent le taux de photosynthèse des plantes. Un autre problème est que les molécules d’oxygène (O2) et de dioxyde de carbone sont relativement similaires en forme et en propriétés chimiques, et RuBisCO ne peut pas les différencier complètement. La fixation accidentelle de l’oxygène par RuBisCO entraîne une perte d’énergie et de carbone. De plus, à des températures plus élevées, RuBisCO réagit encore plus fréquemment avec l’oxygène, ce qui contribuera à une diminution de l’efficacité photosynthétique dans de nombreuses cultures de base alors que notre climat se réchauffe.

Le consensus scientifique est que les approches de l’ingénierie génétique et de la biologie synthétique pourraient révolutionner la photosynthèse et offrir une protection contre les pertes de récoltes. À ce jour, l’ingénierie de RuBisCO de culture a été entravée par des obstacles technologiques qui ont limité tout succès dans l’amélioration significative de la production de cultures. De manière excitante, les outils d’ingénierie génétique et de biologie synthétique sont maintenant à un point où ils peuvent être appliqués et testés dans le but de créer des cultures avec de nouvelles voies biologiques ou améliorées pour produire plus de nourriture pour la population croissante.

Un plan épique pour lutter contre l’insécurité alimentaire

Le projet Grand Challenge 2023 J-WAFS utilisera des techniques d’ingénierie protéique transformantes de pointe tirées de la biomédecine pour améliorer la biochimie de la photosynthèse, en se concentrant spécifiquement sur RuBisCO. Shoulders et son équipe prévoient de construire ce qu’ils appellent la plateforme Enhanced Photosynthesis in Crops (EPiC). Le projet fera évoluer et concevra de meilleurs RuBisCO de culture en laboratoire, suivi de la validation des enzymes améliorées dans les plantes, ce qui se traduira finalement par le déploiement de RuBisCO améliorés dans des essais sur le terrain pour évaluer l’impact sur le rendement des cultures.

Plusieurs développements récents rendent possible l’ingénierie haut débit de RuBisCO de culture. RuBisCO nécessite un réseau chaperon complexe pour un assemblage et une fonction appropriés dans les plantes. Les chaperons sont comme des aides qui guident les protéines pendant leur processus de maturation, les protégeant de l’agrégation tout en coordonnant leur assemblage correct. Wilson et ses collaborateurs ont précédemment déverrouillé la capacité de produire de manière recombinante RuBisCO de plante en dehors des chloroplastes de plante en reconstruisant ce réseau chaperon dans Escherichia coli (E. coli). Whitney a maintenant établi que les enzymes RuBisCO d’une gamme de cultures agricoles pertinentes, y compris la pomme de terre, la carotte, la fraise et le tabac, peuvent également être exprimées en utilisant cette technologie. Whitney et Wilson ont en outre développé une gamme de tests E. coli dépendants de RuBisCO qui peuvent identifier un RuBisCO amélioré à partir de bibliothèques de gènes complexes. De plus, Shoulders et son laboratoire ont développé des technologies sophistiquées de mutagenèse in vivo qui permettent des campagnes d’évolution dirigée continues efficaces. L’évolution dirigée continue fait référence à un processus d’ingénierie de protéines qui peut accélérer les étapes de l’évolution naturelle simultanément dans un cycle ininterrompu en laboratoire, permettant un test rapide des séquences de protéines. Bien que Shoulders et Badran aient tous deux une expérience préalable de plates-formes d’évolution dirigée de pointe, ce sera la première fois que l’évolution dirigée est appliquée à RuBisCO de plantes.

L’intelligence artificielle change la façon dont l’ingénierie enzymatique est entreprise par les chercheurs. Les investigateurs principaux Zhang et Bryson utiliseront des méthodes de calcul modernes pour simuler la dynamique de la structure de RuBisCO et explorer son paysage évolutif. Spécifiquement, Zhang utilisera des simulations de dynamique moléculaire pour simuler et surveiller la dynamique conformationnelle des atomes dans une protéine et son environnement programmé au fil du temps. Cette approche aidera l’équipe à évaluer l’effet des mutations et des nouvelles fonctionnalités chimiques sur les propriétés de RuBisCO. Bryson utilisera l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique pour rechercher le paysage d’activité de RuBisCO pour les séquences optimales. Les branches computationnelles et biologiques de la plateforme EPiC travailleront ensemble pour valider et informer les approches de chacun pour accélérer l’effort d’ingénierie global.

Shoulders et le groupe déploieront leurs enzymes conçues dans des plantes de tabac pour évaluer leurs effets sur la croissance et le rendement par rapport à RuBisCO naturel. Gehring, un biologiste végétal, aidera à identifier les variants de RuBisCO améliorés en utilisant la variété de tabac Nicotiana benthamianaI, où une expression transitoire peut être déployée. L’expression transitoire est une approche rapide pour tester si de nouveaux variants de RuBisCO conçus peuvent être correctement synthétisés dans les chloroplastes des feuilles. Les variants qui réussissent ce point de contrôle de qualité au MIT seront transmis au laboratoire Whitney de l’Université nationale australienne pour une transformation stable en Nicotiana tabacum (tabac), permettant des mesures robustes d’amélioration de la photosynthèse. Dans une dernière étape, le professeur Long de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign effectuera des essais sur le terrain des variants les plus prometteurs.

Même de petites améliorations pourraient avoir un grand impact

Une critique courante des efforts visant à améliorer RuBisCO est que l’évolution naturelle n’a pas encore identifié une meilleure enzyme, ce qui implique peut-être qu’aucune ne sera trouvée. Les points de vue traditionnels ont spéculé sur un compromis catalytique entre le facteur de spécificité de RuBisCO pour CO2 / O2 et son efficacité de fixation de CO2, conduisant à la croyance que les améliorations du facteur de spécificité pourraient être compensées par une fixation plus lente du carbone ou vice versa. Ce compromis a été suggéré pour expliquer pourquoi l’évolution naturelle a été lente à atteindre un meilleur RuBisCO. Mais Shoulders et l’équipe sont convaincus que la plateforme EPiC peut débloquer des améliorations globales significatives pour RuBisCO de plantes. Cette vision est étayée par le fait que Wilson et Whitney ont précédemment utilisé l’évolution dirigée pour améliorer l’efficacité de fixation de CO2 de 50% chez RuBisCO de cyanobactéries (les anciens ancêtres des chloroplastes de plantes) tout en augmentant simultanément le facteur de spécificité.

Les chercheurs d’EPiC anticipent que leurs premières variantes pourraient entraîner des augmentations de 20 % du facteur de spécificité de RuBisCO sans altérer d’autres aspects de la catalyse. Des variantes plus sophistiquées pourraient sortir RuBisCO de son piège évolutif et présenter des attributs actuellement non observés dans la nature. “Si nous parvenons à une amélioration proche de celle-ci et que cela se traduit par des cultures, les résultats pourraient contribuer à transformer l’agriculture”, déclare Shoulders. “Si nos réalisations sont plus modestes, cela recrutera toujours de nouveaux investissements massifs dans ce domaine essentiel.”

L’ingénierie réussie de RuBisCO serait une prouesse scientifique en soi et raviverait l’enthousiasme pour l’amélioration de la fixation du CO2 chez les plantes. Associé à d’autres avancées en ingénierie photosynthétique, telles que l’utilisation améliorée de la lumière, une nouvelle révolution verte en agriculture pourrait être réalisée. Les impacts à long terme du succès de la technologie seront mesurés par des améliorations du rendement des cultures et de la disponibilité des grains, ainsi que par une résilience contre les pertes de rendement sous des températures de champ plus élevées. De plus, une productivité foncière améliorée conjointement avec des initiatives politiques contribuerait à réduire l’empreinte environnementale de l’agriculture. Avec plus de “cultures par goutte”, des réductions de la consommation d’eau provenant de l’agriculture seraient un atout majeur pour les pratiques agricoles durables.

“Notre équipe collaborative de biochimistes et de biologistes synthétiques, de biologistes computationnels et de chimistes est profondément intégrée aux biologistes des plantes et aux experts des essais sur le terrain, ce qui permet une boucle de rétroaction solide pour l’ingénierie enzymatique”, ajoute Shoulders. “Ensemble, cette équipe pourra déployer un effort concerté en utilisant les techniques les plus modernes et les plus avancées pour ingénier RuBisCO pour les cultures, en ayant à l’esprit la réalisation de gains significatifs dans la sécurisation d’un approvisionnement stable en cultures, avec, espérons-le, des améliorations concomitantes de la sécurité alimentaire et hydrique.”

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