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1 DE LA RECHERCHE A L’INDUSTRIE CEA-CADARACHE / 31.01.2020 DOSSIER DE PRESSE 2

1 DE LA RECHERCHE A L’INDUSTRIE CEA-CADARACHE / 31.01.2020 DOSSIER DE PRESSE 2 3 DOSSIER DE PRESSE – CEA CADARACHE Bioénergie SOMMAIRE Les microalgues : un outil de la transition énergétique et écologique ................ 4 Étudier, comprendre et sélectionner les microalgues ........................................ 7 HelioBiotec ............................................................................................................................... 7 Total, un acteur majeur de la recherche et développement dans les microalgues ……………. 12 Transférer les technologies vers les industriels ................................................ 13 Le futur de la Cité des énergies ........................................................................ 18 4 Les microalgues : un outil de la transition énergétique et écologique Aux biocarburants* première et deuxième générations qui proposaient biodiesel, bioéthanol ou carburant de synthèse, succède désormais la troisième génération de carburant issue des microalgues. Pour rendre économiquement viable ce mode de production de biocarburant, la recherche fondamentale doit relever plusieurs défis : • comprendre les mécanismes moléculaires ; • optimiser les capacités de production de lipides par les microalgues. En parallèle, les équipes de recherche appliquée et d’innovation industrielle conçoivent, montent et testent des méthodes et lignes de production, permettant d’évaluer les différents leviers technologiques nécessaires à une production répondant aux besoins d’usage de la société, et aux besoins de rentabilité économiques pour les acteurs industriels. Ces deux axes nécessaires au développement des biocarburants de 3e génération sont conduits au CEA. En effet, la R&D (recherche et développement) pour cette nouvelle génération de biocarburant s’inscrit dans un projet stratégique et scientifique du CEA. En son sein, les équipes de l’Institut de biosciences et de biotechnologies d’Aix-Marseille (Biam1) et celles de la direction de la recherche technologique, ont pour objectif, respectivement, de produire une recherche d’excellence et d’accompagner des entreprises dans leurs projets industriels. En somme, il s’agit d’exploiter la biodiversité des microalgues et leur physiologie pour optimiser la production de biomolécules (lipides, pigments, carbohydrates, hydrocarbures) précurseurs de biocarburants et les processus de production associés (systèmes de culture, procédés d’extraction…). 1 dont l’orientation stratégique pour la période 2018-2022 s’intitule « Green solutions for tomorrow ». * Le carburant obtenu à partir de végétaux (céréales, canne à sucre, bois…) est appelé biocarburant, bien qu’il soit souvent mélangé à des carburants d’origine fossile, tels que le pétrole ou le gaz. Il existe trois générations de biocarburants : • ceux de la 1re génération sont réalisés à partir d’huiles végétales, comme le diester, mélangé au diesel, et par fermentation de sucres, comme le bioéthanol, mélangé au super ; • la 2e génération repose sur la transformation de ressources lignocellulosiques (bois, paille) en carburants liquides obtenus par recombinaison de gaz de synthèse ou par fermentation via des procédés enzymatiques ou microbiens ; • enfin, les biocarburants de 3e génération sont élaborés à partir de déchets ou de micro-organismes photosynthétiques, comme les microalgues ou les cyanobactéries. 5 DOSSIER DE PRESSE – CEA CADARACHE Bioénergie CONTEXTE Comparées aux plantes de grandes cultures utilisées pour l’élaboration des biocarburants de 1re génération, les microalgues présentent de nombreux avantages, comme une productivité surfacique élevée, ou encore la capacité à être produites sur des terres non utilisables pour l’agriculture, évitant ainsi la compétition avec la filière alimentaire. Grâce à la photosynthèse, les microalgues fabriquent naturellement des molécules à forte teneur énergétique utilisables pour la production de biocarburants, tout en se nourrissant du CO2 atmosphérique comme source de carbone. Les microalgues ont donc le potentiel de répondre à deux besoins sociétaux majeurs : la fermeture du cycle du carbone et la production d'énergie renouvelable respectueuse de l’environnement. ENJEUX Pour exploiter au mieux ces microalgues, il est nécessaire d’améliorer en amont leurs capacités biologiques via une sélection et optimisation des souches, tout en développant en aval les procédés de culture, de récolte et d’extraction. Le défi biotechnologique majeur est de domestiquer les souches de microalgues pour accroître leur productivité tout en diminuant les coûts de production afin d’atteindre une rentabilité économique de production d’énergie. Les progrès récents de la génomique, de la génétique, de la lipidomique, des procédés et technologies de culture, développés notamment par les équipes du CEA et du CNRS, nous apportent aujourd’hui les outils et les compétences nécessaires pour progresser dans l’atteinte de ces enjeux. OBJECTIFS Au Biam, l'objectif principal consiste à étudier les mécanismes moléculaires impliqués dans la conversion de l'énergie solaire et du CO2 atmosphérique en composés riches en énergie tels que les lipides, l'hydrogène et les hydrocarbures. Le Biam évalue les limites moléculaires de ces mécanismes et propose des stratégies innovantes basées sur l’amélioration des performances des microalgues par évolution dirigée ou par biologie de synthèse. 6 Fait marquant Débloquer un verrou de la photobioproduction d’hydrogène En présence de lumière, la photosynthèse produit de l’oxygène ainsi que l’énergie nécessaire aux plantes pour vivre. Chez les algues, cette énergie peut servir à photo-produire de l'hydrogène via une enzyme nommée hydrogénase. Cette enzyme est inhibée irréversiblement par l’oxygène produit par la photosynthèse, ce qui limite grandement les applications biotechnologiques. A l’aube, la lumière solaire active la photosynthèse : hydrogène et oxygène sont produits simultanément pendant plusieurs minutes jusqu’à ce que l’oxygène inhibe l’hydrogénase. Pour protéger l’hydrogénase et donc poursuivre la production d’hydrogène, favoriser les mécanismes cellulaires de consommation d’oxygène semblait prometteur. Les chercheurs du Biam, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de la Ruhr (Bochum, Allemagne) ont découvert que certaines protéines (les flavodiirons) pouvaient consommer l’oxygène lors de la photo-production d’hydrogène. En bloquant ce système par mutation génétique, la production d’hydrogène par la microalgue s’est avérée être accrue de près de 30 %. Contrairement à ce que l’on pensait, ce mécanisme entre donc en compétition avec la production d’hydrogène et ne protège pas l’hydrogénase. Au vu de ces travaux, c’est tout un paradigme qui est modifié : les mécanismes de consommation d’oxygène qui étaient vus comme des alliés incontestés de la production d’hydrogène s’avèrent avoir un rôle plus ambigu, car ils monopolisent une partie des ressources de la photosynthèse. Cette étude montre que l’équilibre entre la consommation de l’oxygène photosynthétique et la production d’hydrogène est la pierre angulaire de la photo-production d’hydrogène de demain. Les chercheurs français et allemands poursuivent leur collaboration sur l’étude des stratégies de protection de l’hydrogénase contre l’oxygène. Références : Flavodiiron-Mediated O2 Photoreduction Links H2 Production with CO2 Fixation during the Anaerobic Induction of Photosynthesis. Adrien Burlacot, Anne Sawyer, Stéphan Cuiné, Pascaline Auroy-Tarrago, Stéphanie Blangy, Thomas Happe, Gilles Peltier. Published August 2018. DOI : https://doi.org/10.1104/pp.18.00721 7 DOSSIER DE PRESSE – CEA CADARACHE Bioénergie Étudier, comprendre et sélectionner les microalgues Depuis janvier 2019, le Biam regroupe 8 équipes et 5 plateformes technologiques. Elles ont un but commun : améliorer la compréhension des processus bioénergétiques des microalgues ainsi que leurs mécanismes de réponse à leur environnement direct, en vue de proposer des solutions énergétiques et environnementales pour un développement durable. Parmi les plateformes de cet institut, la plateforme HélioBiotec se concentre sur l’étude des biocarburants de 3e génération. HélioBiotec a été initiée en 2008 pour explorer le potentiel des microalgues dans la production de biocarburants de 3e génération. En dix ans, l’attractivité, la visibilité et la dynamique créées par HélioBiotec ont permis à la petite équipe de 7 personnes à l’initiative du projet de tripler ses effectifs puisqu’elle compte aujourd’hui plus de vingt personnes : douze personnels permanents (CEA et CNRS) et une dizaine de personnes non-permanents (thésards, post-docs ou CDD). HélioBiotec s’est fixé comme objectif la production de biodiesel et d’hydrogène, mais aussi des objectifs intermédiaires de production de molécules à haute valeur ajoutée telles que les compléments alimentaires (oméga 3, caroténoïdes, etc.). Des équipements de pointe permettant le criblage à haut-débit de souches de microalgues (enceintes de cultures, robot de repiquage, cytomètres en flux, imagerie de fluorescence…), la caractérisation de leur productivité (parc de photobioréacteurs instrumentés, analyse des gaz en ligne) ou de leurs caractéristiques biochimiques et physiologiques (microscopie en fluorescence, analyses biochimiques et biophysiques) ont été acquis. Un effort particulier a été fourni sur le développement de la lipidomique, les lipides représentant une cible de choix pour des applications dans les domaines des biocarburants, ou pour ceux de la nutrition et de la neutraceutique. HélioBiotec a été financée à hauteur de 2 millions d’euros par un Contrat de projet État- Région (CPER). Dès sa création, la plateforme a eu pour vocation d’accompagner au plus près des projets de recherches partenariaux, financés notamment par l’ANR (Agence nationale de la Recherche), et l’Europe (FP7, H2020). De nombreuses collaborations ont été nouées, notamment au niveau régional (BIP (CNRS/AMU), IMM Marseille HelioBiotec 8 (CNRS/AMU), INRIA et INRA Sophia Antipolis, CEREGE (Inrae/CNRS/AMU/Collège de France, IRD)…), national (GEPEA Saint-Nazaire, IBPC Paris, Université de Lille, INSA Toulouse…), et international (Allemagne, Suède, Canada, Chine, Japon…). Fait marquant Microalgues et climat : attention aux rejets de N2O ! Les chercheurs du Biam ont découvert une nouvelle voie métabolique de production d'oxyde nitreux (N2O) par les microalgues, publiée dans PNAS le 15 janvier 2020. Ce puissant gaz à effet de serre est produit par certaines espèces de microalgues lors de la photosynthèse. Ce travail montre d'une part la nécessité de prendre en compte les écosystèmes aquatiques dans les simulations climatiques, et d'autre part l'intérêt d'étudier l'ensemble du « cycle de vie » des souches uploads/Industriel/ dp-microalgues-vf-pas.pdf