Mise au point de synthèses enzymatiques en vue de l’obtention de dérivés biosourcés pour des applications biologiques.

Optimising enzymatic synthesis for the production of bio-based derivatives for biological applications

• Auteur / Autrice : Alexis Spalletta
• Direction : Patrick Martin, Nicolas Joly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et Matière Condensée
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformations et Agro-Ressources (Beauvais ; 2016-...)
• Jury : Président / Présidente : Florent Allais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Martin, Nicolas Joly, Florent Allais, Magali Deleu, Catherine Humeau-Virot, Florence Djedaïni-Pilard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Deleu, Catherine Humeau-Virot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande de processus biotechnologiques

Biotechnologie

Chimie verte

Mots clés libres

Biocatalyse

Lipase

Biosourcée

Optimisation

Chimie verte

Biocatalysis

Lipase

Bio-based

Optimisation

Green chemistry

Résumé

Les molécules amphiphiles, entités capables de modifier la tension superficielle entre deux surfaces, peuvent être obtenues par différentes méthodes dont la principale est synthétique, à partir de substrats pétrosourcés. Leur omniprésence dans de multiples domaines a créé un marché mondial et, par conséquent, des attentes écologiques et économiques envers leur production. Il est donc nécessaire de trouver de nouvelles voies de conception écoresponsables et biosourcées. Les processus biocatalysés, impliquant notamment des enzymes, peuvent répondre à cet objectif. À titre d'exemple, les esters glucidiques d'acides gras sont des tensioactifs biosourcés qui peuvent être synthétisés par des lipases. Cependant, beaucoup de paramètres peuvent influencer ces synthèses.Notre premier objectif a été d’étudier l’impact du milieu réactionnel et des substrats sur la synthèse d’un ester glucidique d'acide gras, le 6-O-lauroyl-D-glucopyranose, par une lipase, et notamment l’influence d’un agent solubilisant, permettant de moduler la solubilité initiale des substrats, sur l’efficacité et la sélectivité de la réaction.Un espaceur peut être ajouté au tensioactif afin d’améliorer ses propriétés ou de lui en conférer une ou plusieurs supplémentaires. L’objectif a donc par la suite été de concevoir un synthon lipophile-espaceur, le lauryl(3-hydroxypropyl)succinate, en deux étapes. Dans la première, un alcool gras, le dodécan-1-ol, a été condensé sur de l'acide succinique en utilisant une lipase comme biocatalyseur. Selon des paramètres de référence préalablement mis au point, plusieurs lipases ont été considérées pour conduire au monolauryl succinate et au dilauryl succinate. Ensuite, le propan-1,3-diol est ajouté au milieu réactionnel pour réagir avec les produits de la première étape et conduire au lauryl(3-hydroxypropyl)succinate. Nous avons, pour chaque lipase utilisée, cartographié différents paramètres du milieu réactionnel comme le solvant, le co-solvant, la quantité d’eau ajouté, ou encore l’effet de l’empreinte moléculaire. Nous pouvons ainsi proposer une synthèse multi-étapes optimisée et plus sélective du lauryl(3-hydroxypropyl)succinate en 4 h, sans traitement ni purification intermédiaire entre les étapes. Enfin, le greffage du lauryl(3-hydroxypropyl)succinate sur un D-glucose a été mis en place à l'aide d'une β-glucosidase, afin d’obtenir le tensioactif. Sur la base des résultats obtenus, ce projet a pour perspective la modification de la tête polaire au profit de sucres aux propriétés spécifiques et intrinsèques, comme le D-Allose, ainsi que de l’espaceur et de l’alcool.

Surfactants are amphiphilic molecules with the ability to modify the surface tension between two surfaces. They can be obtained by various methods, the main one being synthetic, from petroleum-based substrates. Their universal use in a wide range of fields has created a global market and, consequently, ecological, and economic expectations for their production. It is therefore necessary to find new eco-responsible and biobased methods of conception. Biocatalysed processes, involving enzymes in particular, can address this objective. For example, fatty acids carbohydrate esters are biobased surfactants that can be synthesized by lipases. However, many parameters can influence this synthesis.Our first objective was to study the impact of the reaction medium and substrates on the lipase-catalyzes synthesis of a fatty acid carbohydrate ester, 6-O-lauroyl-D-glucopyranose. During this work, the influence of substrate solubility on the efficiency and selectivity of the reaction was studied, in particular studying the interest of a solubilizing.A spacer arm between hydrophilic and hydrophobic parts can be added to the surfactant to improve its properties and/or confer it additional ones. Strategy was therefore to synthesize a lipophilic spacer synthon, lauryl(3-hydroxypropyl)succinate, in a one pot two-steps strategy. The first step consists in condensation of a fatty alcohol, dodecan-1-ol, onto succinic acid using various lipases and was carried out according to previously developed reaction parameters to produce monolauryl succinate and dilauryl succinate. In a 2nd step, propan-1,3-diol was added to the reaction medium to obtain lauryl(3-hydroxypropyl)succinate. For each lipase, we mapped different reaction parameters, such as the solvent, co-solvent, quantity of water, lipase cocktail and interest of bio-printed lipase. We can thus propose an optimized and more selective one pot synthesis of lauryl(3-hydroxypropyl)succinate in 4 h, without intermediate treatment or purification. Finally, we set up the grafting of lauryl(3-hydroxypropyl)succinate onto a D-glucose, using a β glucosidase, in order to obtain the desired surfactant. Several methods were considered: based and set-up on the obtained results, this project aims to modify the polar head in favor of sugars with interesting properties, such as D-Allose, as well as the spacer arm and the fatty alcohol.