Discovery and study of novel fungal copper-radical oxidases as biocatalysts for the production of aldehydes for the flavors and fragrances industry

par David Ribeaucourt

Thèse de doctorat en Biochimie structurale

Sous la direction de Jean-Guy Berrin, Mickaël Lafond et de Fanny Lambert.

Le président du jury était Marie-Thérèse Giudici-Orticoni.

Le jury était composé de Harry Brumer, Caroline Paul, Bastien Bissaro.

Les rapporteurs étaient Nicholas John Turner, Emma R. Master.

  • Titre traduit

    Découverte et étude de nouvelles oxydases fongiques à radical cuivre comme biocatalyseurs pour la production d'aldéhydes pour l'industrie des arômes et parfums


  • Résumé

    La mise en place de procédés biotechnologiques durables est au cœur des enjeux actuels de l’industrie des arômes et parfums mais nécessite le développement et la maîtrise de nouvelles voies biocatalytiques. Récemment, les alcools oxydases à radical cuivre (CRO-AlcOx), de nouvelles enzymes fongiques à fort potentiel biotechnologique, ont été découvertes. Les travaux de cette thèse ont ainsi porté sur l’étude de CRO-AlcOx et l’évaluation de leur potentiel biocatalytique pour la production d’aldéhydes odorants d’intérêt industriel. Une revue critique de la littérature introduit le contexte de la thèse. Expérimentalement, le potentiel d'une CRO-AlcOx a été évalué pour produire des aldéhydes odorants à longue chaîne. Des études enzymologiques couplées à de la modélisation dynamique ont notamment révélé la capacité sur-oxydative de cette enzyme et suggèrent une inhibition médiée par la forme hydratée de certains aldéhydes testés. La sécrétion naturelle de ces enzymes par des souches fongiques du genre Colletotrichum a ensuite été étudiée par des analyses sécrétomiques. Les résultats ont indiqué que la production recombinante de CRO-AlcOx est une voie plus prometteuse. Cette étude a également permis de caractériser deux nouvelles CRO-AlcOx. En dernier lieu, une CRO-AlcOx a été testée dans des perspectives appliquées au travers de : (i) la montée en échelle de la conversion biocatalytique d’alcools à longues chaînes, et (ii) d’une cascade bi-enzymatique aboutissant à la production énantiosélective d’un intermédiaire clé dans la synthèse du menthol. L’ensemble de ces travaux dessinent les contours de l’utilisation des CRO-AlcOx dans des perspectives industrielles.


  • Résumé

    The development of sustainable biotechnological processes is at the heart of current challenges in the flavors and fragrances industry but requires the development of new biocatalytic pathways. Recently, new fungal enzymes with a high biotechnological potential, called “Copper radical alcohol oxidases” (CRO-AlcOx), were discovered. In the present PhD thesis, we focused on the study of CRO-AlcOx and on the evaluation of their biocatalytic potential to produce industrially relevant fragrant aldehydes. A critical review of the literature provides the contextual elements of the PhD project. Experimentally, we first evaluated the potential of a CRO-AlcOx originating from the ascomycete Colletrotrichum graminicola to produce fragrant long chain aliphatic aldehydes. Enzymological studies coupled with dynamic modelling revealed the overoxidative capacity of this enzyme and suggested an inhibition mediated by the hydrated form of some of the tested aldehydes. The natural secretion of CRO-AlcOx by several Colletotrichum fungal strains was then studied by secretomic analyses. The results indicate that recombinant production of CRO-AlcOx is a more promising route. This study also allowed the characterization of two new CRO-AlcOx. Finally, a CRO-AlcOx was tested in applied perspectives through: (i) the scale-up of the biocatalytic conversion of long-chain alcohols into aldehydes, and (ii) a bi-enzymatic cascade leading to the enantioselective production of a key intermediate in the synthesis of menthol. Overall, this work outlines the potential and limitations of CRO-AlcOx as biocatalysts for industrial perspectives.


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