Développement et amélioration d'enzymes pour lutter durablement contre les champignons et les insectes

Development and improvement of enzymes for the sustainable control of bacterial and fungal pathogens

• Auteur / Autrice : Solveig Vlaemynck
• Direction : David DaudÉ
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : RECHERCHES BIOMEDICALES Maladies infectieuses et microbiote
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Recherches Biomédicales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RITMES - Risques Infectieux Tropicaux, Microorganismes EmergentS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : VITROME - E7 - Eucaryotes Tropicaux pathogènes et mycologie

Mots clés

Mots clés libres

Enzyme

Lactonase

Chitinase

Ingénierie enzymatique

Champignons

Quorum quenching

Enzyme

Lactonase

Chitinase

Enzyme engineering

Fungi

Quorum quenching

Résumé

L'émergence de résistances aux antimicrobiens est un enjeu majeur soulevé par l'OMS. Parmi eux, on compte notamment les antibiotiques, antifongiques et antiparasitaires. L'apparition de résistances confère aux microorganismes la capacité de se développer en dépit des traitements, ce qui peut avoir des conséquences majeures pour la santé des êtres humains, des animaux et des végétaux. L'approche One Health est un concept qui vise à appréhender les mécanismes de résistance pour développer des alternatives durables aux approches conventionnelles. Certains champignons, insectes et bactéries sont vecteurs de maladies humaines, animales et/ou végétales. Les moyens de lutte actuels contre ces nuisibles reposent essentiellement sur l'utilisation de molécules issues de la chimie. En plus de l'émergence de résistances, ces solutions peuvent poser des problèmes de toxicité, d'écotoxicité ou d'accumulation contraires aux enjeux actuels de durabilité. Parmi les stratégies alternatives aux solutions conventionnelles, les enzymes constituent des approches extrêmement prometteuses. Les enzymes sont des protéines bioactives d'origine biologique qui peuvent allier efficacité (molécules efficaces en quantités catalytiques), spécificité (limitant l'impact sur la biodiversité) et durabilité (molécules biodégradables et non-accumulables). Elles suscitent donc un vif intérêt de la part de la communauté scientifique, néanmoins il n'existe à ce jour aucun produit à base d'enzyme utilisé ni pour le biocontrôle en agriculture ni en santé humaine. Il s'agit donc d'une alternative innovante. Les insectes et champignons pathogènes partagent une molécule commune, la chitine, qui pourrait constituer une cible d'intérêt. La chitine est un polysaccharide constitutif de la cuticule et de l'intestin des insectes ainsi que de la paroi des champignons. Cette molécule est absente chez l'Homme et les animaux (hors insectes). Les chitinases, des enzymes hydrolysant la chitine, sont donc indiquées pour cibler spécifiquement ces nuisibles. De nombreux organismes de règnes différents produisent naturellement des chitinases, décrites dans la littérature. Il existe cependant très peu de chitinases suffisamment stables compatibles avec des procédés de fabrication industriels et des contraintes d'applications en environnement réel. De nombreuses espèces de bactéries pathogènes doivent la régulation de leurs gènes de virulence au Quorum Sensing (QS). Le QS est un processus biologique par lequel les bactéries ajustent leur comportement selon la densité de population. Ce phénomène repose sur l'émission et la détection de molécules auto-inductrices, parmi elles les N-acyle homosérine lactone (AHL). Lorsque la densité de bactéries dans l'environnement croît, la concentration en AHL varie naturellement jusqu'à atteindre une concentration seuil qui va activer la régulation de nombreux gènes liés à la virulence et à la formation de biofilm. Les enzymes lactonases catalysent l'hydrolyse des AHL, empêchant ainsi leur reconnaissance par les bactéries utilisant le QS. Il s'agit du Quorum Quenching (QQ). Le QQ peut alors constituer une approche intéressante et durable pour empêcher l'apparition du phénotype de virulence de ces bactéries. Ce projet de thèse vise donc à développer et améliorer des chitinases et lactonases par ingénierie enzymatique pour proposer, à terme, de nouvelles solutions durables permettant de lutter efficacement contre les bactéries réalisant le QS, les champignons et les insectes pathogènes afin de limiter le recours aux produits conventionnels issus de la chimie. Parmi les applications envisagées, le développement de dispositifs médicaux innovants, fonctionnalisés par des enzymes (e.g. pansements ou patchs d'application topique) sont particulièrement prometteurs. En agriculture, ces enzymes pourraient être pulvérisés sur des semences ou sur les organes externes de la plante tels que les feuilles ou les fleurs, permettant le biocontrôle des cultures traitées.

The emergence of resistance mechanisms against antimicrobial products is a major issue highlighted by the WHO. Among them are antibiotics, antifungal and antiparasitic pest controls. The resistance development enables the microorganisms to spread despite treatments, which has major consequences for human, animals and plants health. One Health is a concept that aims at understanding the resistance mechanisms to come up with sustainable alternatives to conventional approaches. Some fungi, insects and bacteria are disease vectors for human beings, animals and/or plants. Nowadays fighting products against these pests are essentially based on molecules from the chemistry industry. In addition to resistance appearance, they can lead to toxicity, ecotoxicity and accumulation against current sustainability goals. Among alternative strategies to conventional solutions, the enzymes constitute a considerably promising approach. The enzymes are biological bioactive proteins that can ally efficiency (enzymes are efficient in a catalytic quantity), specificity (limiting the impact on biodiversity) and sustainability (biodegradable and non-accumulative molecules). Therefore, they arouse the interest of the scientific community, however no product based on enzymes is currently available, neither in agriculture for biocontrol nor in the human health field. It is therefore an innovative alternative. Insects and fungi share a molecule, the chitin molecule, that could be a target of interest. Chitin is a polysaccharide that composes the cuticle and the intestinal wall of insects, and the cell wall of fungi. This molecule is absent in human beings and animals (except insects). Chitinases, enzymes that hydrolyse the chitin molecule, are thus good candidates to target specifically those organisms. Many organisms from different reigns produce naturally chitinase enzymes that are described in literature. However very few chitinases are stable enough to endure industrial processes and real environment constraints. Numerous pathogenic bacteria have their virulence genes regulated via Quorum Sensing mechanisms (QS). QS is a biological process during which bacteria regulate their behaviour in a population density-dependent way. This phenomenon is based on the emission and reception of auto-inducible molecules, among them acyl-homoserine lactones (AHL). When the population density increases, the AHL concentration in the medium evolves naturally to reach a threshold concentration that leads to the regulation of genes linked to virulence and biofilm production. Lactonase enzymes catalyse the hydrolysis of AHL, preventing them from being recognized by QS-bacteria. It is the Quorum Quenching (QQ). QQ could thus constitute an interesting and sustainable approach to prevent the appearance of virulence phenotype of this type of bacteria. This PhD project thus aims at developing and enhancing lactonase and chitinase enzymes by enzymatic engineering to offer with time new and sustainable alternatives to fight efficiently against bacteria that uses the QS system, and pathogenic insects and fungi, without using the conventional products chemically based. Among the considered applications, the development of innovative medical devices functionalized by enzymes (bandages, topical application patches) are particularly promising. In the agricultural sector, these enzymes could be sprayed on seeds or on different external plant organs such as the leaves or the flowers, enabling the biocontrol of treated crops.