Etude de la saccharification enzymatique du miscanthus par les cocktails cellulolytiques de Trichoderma reesei

Enzymatic saccharification of miscanthus using Trichoderma reesei cellulolytic enzymes cocktails

• Auteur / Autrice : Nassim Belmokhtar
• Direction : Philippe Debeire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 04/07/2012
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Remond zlliox
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Sigoillot, Brigitte Chabbert, Nicolas Lopes Ferreira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Lapierre, Dominique Lachenal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocarburants

Graminées

Mots clés libres

Cellulase

Β-Glucosidase

Xylanase

Trichoderma reesei

Miscanthus

Saccharification

Résumé

Parmi les ressources d'origines agricole et forestière utilisables aujourd'hui en tant que biomasse à destination énergétique, le miscanthus apparait comme l'une des espèces de graminées les plus prometteuses pour la production de bioéthanol de seconde génération grâce à son haut potentiel en biomasse. Ce procédé dit ''2G'' convertit la cellulose contenue dans ces biomasses lignocellulosiques en bioéthanol et ce via un procédé intégrant prétraitement physico-chimique, hydrolyse enzymatique et fermentation. Le principal objectif de ce projet de thèse visait à étudier l'impact de l'hétérogénéité tissulaire et structurale du miscanthus sur sa saccharification et s'est décliné en différents volets liés à l'étude de l'efficacité des prétraitements et à l'analyse des performances de différents cocktails enzymatiques de Trichoderma reesei. L'hydrolyse enzymatique est essentiellement limitée par la structure et la porosité des complexes pariétaux qui réduisent l'accessibilité de la cellulose aux cellulases. En plus des constituants hémicelluloses et lignines qui recouvrent la cellulose, les parois cellulaires du miscanthus sont riches en acides hydroxycinnamiques (pCA et FA) qui jouent un rôle important dans la cohésion du réseau pariétal complexe. L'application de prétraitements acide et alcalin sur le miscanthus a ainsi révélé une différence de réactivité en fonction des types cellulaires. Les parois secondaires du sclérenchyme sont plus facilement dégradées par les cellulases fongiques après prétraitement acide. L'étude de la distribution des composés phénoliques au niveau cellulaire par micro spectrophotométrie UV a rapporté une nette diminution de l'absorbance UV dans tous les tissus après chaque prétraitement. Ceci n'expliquant pas totalement les différences de réactivité observées, d'autres facteurs physicochimiques seraient donc impliqués. Une approche visant à évaluer la progression des cellulases au sein des parois par immunocytochimie a également été initiée mais elle s'est heurtée à des problématiques techniques liées à la nature des tissus et aux anticorps employés. Les performances en terme de conversion de la cellulose ont été évaluées avec des cocktails enzymatiques de T. reesei comprenant des activités (hemi-)cellulolytiques variables. Une meilleure efficacité du prétraitement par explosion à la vapeur a ainsi pu être montrée par réduction de la quantité d'enzymes mises en œuvre. Comme c'est le cas pour d'autres graminées, ces travaux ont permis de confirmer le rôle crucial de l'enzyme β-glucosidase, permettant de limiter l'inhibition par le cellobiose et améliorant la cinétique initiale de saccharification. L'amélioration du rendement d'hydrolyse par l'utilisation d'un sécrétome comprenant une bonne activité hémicellulolytique a pu être ensuite démontrée. L'utilisation de cocktails enzymatiques reconstitués à partir d'enzymes pures a enfin permis de définir un mélange ''optimal'' composé des quatre principales cellulases de T. reesei (CBH1, CBH2, EG1 et EG2) associées à une hémicellulase (XYN1).

Among agricultural and forest resources, the grass specie miscanthus has emerged as one of the most promising feedstock candidates for 2G-biofuel production due to its high biomass yield. The biofuels 2G-production process is based on cellulose conversion into bioethanol via physicochemical pretreatment, enzymatic hydrolysis and fermentation. The main objective of this Ph.D. project was to evaluate the effect of tissue and structure heterogeneity of miscanthus on its saccharification by evaluating pretreatment efficiency and analyzing the performance of different Trichoderma reesei cellulolytic cocktails.Enzymatic hydrolysis is mainly hindered by cell wall structure and porosity which limit cellulose accessibility to cellulase. In addition to hemicelluloses and lignin polymers, miscanthus cell walls, contain high amounts of hydroxycinnamic acids (pCA and FA) that play a significant role in cross-linking polymers into cohesive network. Applying acid and alkali pretreatments on miscanthus revealed a distinctive reactivity depending on cell types. Secondary cell walls of sclerenchyma appeared more digested by fungal cellulases after acid pretreatment. Addressing phenolics distribution (lignin and hydroxycinnamic acids) at cell level by UV micro spectrophotometry highlighted a significant decrease in UV absorbance after both pretreatments irrespective to cell type indicating that other physicochemical and structural features are involved in distinct cell wall reactivity. We have also attempted to evaluate cellulase progression into miscanthus cell walls by immunocytochemistry but we have had many technical problems due to the nature of miscanthus tissues and used antibodies. Cellulose conversion ability was then evaluated using enzymatic cocktails of T. reesei which vary in their (hemi-)cellulolytic activities. Higher efficiency of the steam explosion pretreatment was demonstrated by reducing enzymes loading. As reported previously on other grasses, β-glucosidase plays a crucial role by limiting the inhibiting effect of cellobiose and improving the initial saccharification step. We furthermore showed that the use of hemicellulases-improved cocktails allowed significant increase in saccharification yields. We finally identified an optimal reconstituted enzyme mixture composed of four major cellulases of T. reesei (CBH1, CBH2, EG1 and EG2) and the hemicellulase XYN-1.