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Une enzyme astucieuse pour la production de dextranes cliniques et de copolymères biosourcés

Publié le 29/01/2019
Mots-clés : cepia - MIA - BIORES-1 - BIORES-2

Un exemple de voies biotechnologiques pour la synthèse de matériaux biosourcés

A partir de saccharose, agroressource peu couteuse, une nouvelle enzyme catalyse la synthèse directe de dextranes cliniques utilisés pour diverses applications pharmaceutiques (expanseur de volume sanguin, cryprotectant pour cellules souches, stabilisant de protéines, groupement porteur ou adjuvant en vaccinologie, anticoagulant ou transporteur de fer une fois fonctionnalisés, par exemple). Cette découverte permettrait de remplacer des procédés actuels relativement polluants. De plus, en réalisant des cascades enzymatiques avec deux autres enzymes de spécificités différentes, nous avons développé une technologie de rupture pour la synthèse de copolymères biosourcés, ouvrant de nouvelles perspectives pour la conception rationnelle de nouveaux matériaux à base de polysaccharides.

  • Contexte et enjeux

La conception de voies biotechnologiques pour la synthèse de matériaux biosourcés est d’un intérêt majeur pour réduire l’utilisation de polluants dans l’industrie des matériaux, ainsi que pour développer de nouvelles applications pour des polymères d’origine naturelle et biodégradables. Les dextranes sont les premiers polymères microbiens à avoir été mis sur le marché, produits par des bactéries lactiques lors de fermentations sur saccharose. Il s’agit d’homopolymères de glucose dont les applications sont diverses et souvent dépendantes de la masse molaire du produit. Ainsi, des dextranes de quelques dizaines de kg/mol sont privilégiés dans le secteur pharmaceutique (dextranes cliniques). Or, les procédés actuels reposent encore sur des hydrolyses chimiques des dextranes natifs (108 g/mol), suivies de fractionnements. Par ailleurs, différentes études ont montré que les propriétés physico-chimiques des polymères, qui dépendent directement de leur structure moléculaire et de leur organisation supramoléculaire, peuvent être modulées et/ou améliorées en assemblant de manière covalente des blocs aux propriétés physiques contrastées. Pourtant, les études actuelles reposent encore toutes sur des assemblages obtenus par voie chimique.

  • Résultats

Dans ce contexte, l’équipe de Catalyse et Ingénierie Moléculaire (EAD1) du LISBP étudie les enzymes à l’origine de la synthèse des polymères de glucose à partir de saccharose : les -transglucosylases. Au cours de ces dernières années, une enzyme provenant de la bactérie lactique Leuconostoc citreum NRRL B-1299 a pu être isolée et finement caractérisée au laboratoire (DSR-M). Contrairement aux autres dextransucrases connues, cette enzyme catalyse la synthèse directe de dextranes de faible masse molaire dont la taille peut être très précisément modulée en fonction des conditions réactionnelles. La structure tridimensionnelle de l’enzyme a pu être résolue, montrant un repliement très original. Pour la première fois, des complexes enzyme-oligosaccharides de DP4 ont été obtenus, permettant d’identifier certains des déterminants structuraux impliqués dans le mécanisme de polymérisation et l’élongation des chaines. Ces travaux ont guidé la construction de variants enzymatiques qui catalysent, aujourd’hui, la synthèse directe et à façon d’un panel de dextranes cliniques de 2, 5, 10, 20 à 25 kg/mol, avec des rendements supérieurs à 80%.

La synthèse enzymatique de dextranes cliniques et de copolymères polysaccharidiques à partir de saccharose. © Inra, Claire Moulis, Gabrielle Potoki-Veronèse, Mag
La synthèse enzymatique de dextranes cliniques et de copolymères polysaccharidiques à partir de saccharose © Inra, Claire Moulis, Gabrielle Potoki-Veronèse, Mag

Dans un deuxième temps, le potentiel catalytique de cette enzyme, combiné à celui de deux autres -transglucosylases de spécificités différentes, nous a permis de réaliser des cascades enzymatiques dédiées à la synthèse de nouvelles architectures d’-glucanes composées de di- et tri-blocs de spécificité de liaisons différente. Parmi la collection d’-transglucosylases disponibles au laboratoire, seules une alternansucrase et la dextransucrase DSR-M se sont avérées capables de rallonger efficacement des -glucanes différant du produit natif. Le procédé est totalement biosourcé, chaque bloc présente une structure moléculaire différente, et nous avons pu montrer que le greffage covalent des différents blocs polysaccharidiques affecte la conformation des chaines de polymères, ainsi que leur flexibilité.

  • Perspectives

Ces travaux montrent le potentiel de la découverte et de l’ingénierie des enzymes pour développer des procédés éco-compatibles et performants, que cela soit pour le remplacement de procédés existants ou le développement de nouveaux produits. Nous avons démontré pour la première fois qu’en utilisant des enzymes astucieuses, et non pas des catalyseurs chimiques, il est possible d’assembler des blocs de polysaccharides présentant des structures et propriétés physico-chimiques variées, modifiant ainsi leur conformation et leur flexibilité. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la synthèse et l’utilisation de copolymères biosourcés, en tant que matériaux filmogènes, de renfort, ou de vecteurs biocompatibles d’arômes et de principes actifs..
De plus, des informations cruciales sur la structure des -transglucosylases et les déterminants structuraux impliqués dans le mécanisme de polymérisation ont été obtenues, ainsi que sur la façon de produire et remodeler les polysaccharides pour modifier leurs propriétés mécaniques La poursuite de ces travaux devrait nous permettre de mieux comprendre l’aptitude de DSR-M à reconnaitre des -glucanes non-naturels au regard des autres enzymes de la famille, et guider des travaux d’ingénierie pour augmenter le panel de structures polysaccharidiques variées à rallonger (en terme de taille et de structure).

  • Partenaires

- Unité BIA de l’INRA de Nantes, équipe ‘Materials Processing and Behavior’ dirigée par Denis Lourdin, partenaire du LISBP dans le cadre du projet ANR ASPIRE (ANR-14-CE27-0011-01)

  • Références

- Claverie M., Cioci G., Vuillemin M., Monties N., Roblin P., Lippens G., Remaud-Simeon M. and Moulis C. 2017. Investigations on the determinants responsible for low molar mass dextran formation by DSR-M dextransucrase. ACS Catal. 7, 7106–7119. (DOI : 10.1021/acscatal.7b02182)

- Grimaud F., Faucard P., Tarquis L., Pizzut-Serin S., Roblin P., Morel S., Le Gall S., Falourd X., Rolland-Sabaté A., Lourdin D., Moulis C., Remaud-Siméon M., Potocki-Veronese G. 2018. Enzymatic synthesis of polysaccharide-based copolymers. Green Chemistry. 181: 337-343.

- Vuillemin, M., Claverie, M., Severac, E., Fauche-Fontagné, C., Monsan, P., Remaud-Simeon, M., Moulis C. Protein with dextran activity, and uses. Patent WO2016016544 (A1)

Contact : Claire Moulis (moulis@insa-toulouse.fr), Gabrielle Potocki-Veronèse (veronese@insa-toulouse.fr), Magali Remaud-Siméon (remaud@insa-toulouse.fr), UMR 792 LISBP INRA INSA CNRS Centre Occitanie Toulouse