Thèse soutenue

Diffusion et propagation des enzymes lignocellulolytiques dans leur substrat polymérique : impact de la concentration en polymère et de leur activité

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Auteur / Autrice : Maike Petermann
Direction : Antoine BouchouxClaire Dumon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Ingénieries Microbienne et Enzymatique
Date : Soutenance le 10/07/2023
Etablissement(s) : Toulouse, INPT
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Toulouse Biotechnology Institute (Toulouse ; 2019-....)
Jury : Président / Présidente : Patrice Bacchin
Examinateurs / Examinatrices : Antoine Bouchoux, Claire Dumon
Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Saulnier, Thierry Astruc, Françoise Nau

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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La valorisation de la biomasse lignocellulosique fait partie des solutions envisageables pour la transition vers une économie durable. La complexité de cette biomasse nécessite un pré-traitement coûteux pour sa valorisation. Pour réduire les couts, il est possible de le combiner avec un traitement biologique. Pour cela, des enzymes spécifiques au substrat catalysent la déconstruction des polysaccharides de la biomasse sous conditions ‘douces’. Néanmoins, les pré-traitements biologiques sont peu efficaces. Pour les optimiser, il est important de comprendre ce qui se passe lors de la dégradation enzymatique d’un polymère et ensuite trouver des approches pour l’améliorer. Lors de la dégradation, l’enzyme est confrontée à une concentration élevée en polymère et doit se propager dans une structure dense et complexe. En général, les enzymes sont peu caractérisées à fortes concentrations en substrat, et plusieurs questions cruciales doivent être abordées. Comment est-ce que la présence du polymère impacte cette propagation ? Est-ce que l’activité de l’enzyme impacte sa mobilité ? Et cette activité, est-elle aussi impactée par la concentration élevée en polymère ? Ce sont les questions qui ont guidé ce projet de thèse, qui se fonde sur une approche expérimentale qui combine l’enzymologie, la physique et l’imagerie. Dans un premier temps, nous avons caractérisé le polymère, arabinoxylane extrait du blé, pour déterminer sa structure et les caractéristiques du réseau formé par ses chaînes à différentes concentrations en polymère. Ces caractéristiques sont des informations importantes pour les expériences de diffusion dans les solutions de polymère. Ensuite, nous avons étudié la dégradation enzymatique du polysaccharide à différentes concentrations par une xylanase, avec des mesures de vitesse de réaction et de la taille des produits. Nous n’avons pas constaté d’impact de la concentration en polymère sur la vitesse de réaction, mais nos résultats suggèrent qu’une forte concentration en polymère entraînerait des produits de réaction plus petits. Finalement, nous avons utilisé la microscopie à fluorescence pour étudier la diffusion de la xylanase active et inactive dans les solutions de polymère jusqu’à 90 g.L-1. Les résultats ont montré que la diffusion de l’enzyme ne suit pas la relation de Stokes-Einstein, mais qu’elle est déterminée par une viscosité effective, entre la viscosité du solvant et celle des solutions du polymère, et que la diffusion diminue avec la concentration en polymère. Pour étudier le lien entre l’activité et la mobilité de l’enzyme, nous avons comparé la diffusion de la xylanase active et inactive. Dans le cas de l’enzyme active, la diffusion était accélérée, ce qui montre un couplage entre l’activité et la mobilité de l’enzyme. Au total, ces résultats améliorent notre compréhension de la dégradation enzymatique des polymères concentrés. En complément, des expériences préliminaires ouvrent la voie à d’autres techniques physico-chimiques, qui peuvent être utilisées pour poursuivre l’étude du couplage entre l’activité et la mobilité d’une enzyme.