Proposer un ensemble robuste d’enzymes oxydantes servant d’outils biocatalytiques pour la chimie verte
Les transformations chimiques industrielles sont généralement effectuées dans des conditions difficiles (température et pression élevées), nécessitent souvent des produits chimiques toxiques et génèrent des sous-produits dangereux. Dans un contexte de recherche d’alternatives plus écologiques, les enzymes ont été présentées comme substitut aux catalyseurs chimiques, ce processus étant désigné par le terme de biocatalyse. Les enzymes fonctionnent généralement dans des conditions de réaction modérées, utilisent des co-substrats bon marché (par exemple de l’oxygène) et présentent une sélectivité exceptionnelle ainsi que de bons rendements. Pourtant, malgré les réussites, l’instabilité de nombreuses enzymes freine l’exploitation des biocatalyseurs à grande échelle industrielle. Le projet ROBOX (Expanding the industrial use of Robust Oxidative Biocatalysts for the conversion and production of alcohols), soutenu par l’UE, a mis au point une collection d’enzymes stables, ainsi que des protocoles de conversion industrielle. Le projet a réussi à: développer une enzyme capable d’oxyder le glycérol, appliquer les enzymes P450 pour produire des métabolites de médicaments à grande échelle, appliquer les enzymes ADH et BVMO pour produire de nouvelles molécules de parfum ainsi que des précurseurs de polymères spéciaux et performants. Faire la démonstration des réactions cibles de ces enzymes oxydantes stables La durabilité et la rentabilité des processus industriels peuvent être grandement améliorées grâce à des voies d’oxydation biocatalytiques utilisant l’oxygène moléculaire (de l’air) dans des conditions bénignes et douces (à pH modéré), comme les conditions ambiantes de température et de pression. Mais cette approche, qui présente des coûts élevés (> 1 000 EUR/kg) associés à l’étape de catalyse enzymatique, a été jugée trop onéreuse. Pour remédier à cela, ROBOX a étudié la viabilité de la biotransformation de quatre types d’enzymes oxydantes stables. «Ces types de biocatalyseurs effectuent des oxydations avec une sélectivité et une spécificité élevées, souvent avec un bon rendement. Ces résultats seraient difficiles à obtenir avec des oxydations chimiques standard», explique le professeur Marco Fraaije, coordinateur du projet. Le glycérol est un sous-produit majeur de la production de biodiesel et constitue un produit chimique prometteur, car son oxydation génère des composés précieux, comme les glycéraldéhydes, qui présentent un intérêt pour la production de produits chimiques fins, de produits pharmaceutiques ou d’acides aminés. Les enzymes de type mono-oxygénase (P450) présentes dans le foie humain sont responsables de la détoxification de la quasi-totalité des médicaments commercialisés, ce qui explique que la production biocatalytique à grande échelle de métabolites de médicaments soit d’une grande importance pour valider les résultats lors du développement de médicaments et des essais cliniques. ROBOX a également développé et appliqué des enzymes de type alcool déshydrogénase (ADH), alcool oxydase (AOX) et Baeyer-Villiger mono-oxygénase (BVMO), dans la production biocatalytique de nouveaux composés de parfum et de précurseurs de polymères, illustrant la supériorité de ce groupe d’enzymes oxydantes par rapport à la chimie traditionnelle. ROBOX a validé et optimisé les réactions cibles de ces enzymes, en laboratoire, pour des applications pharmaceutiques, nutritionnelles, relatives à la chimie fine et aux matériaux. Quand cela s’est avéré nécessaire, les enzymes respectives ont été améliorées grâce à l’ingénierie des protéines ou de nouvelles enzymes stables ont été identifiées grâce à l’exploitation du génome. «Cette approche intégrée a concerné l’ensemble de la chaîne, de la découverte des enzymes à leur application à grande échelle», explique le professeur Fraaije. «Au cours du projet, nous avons rejeté certaines réactions cibles, les ayant considérées comme non viables en nous basant sur une évaluation technico-économique rigoureuse. Mais cette stratégie a été couronnée de succès dans la plupart des cas, et a permis une exploitation plus poussée de la biocatalyse par oxydation.» Développer une boîte à outils pour une chimie durable Les résultats de ROBOX contribuent à la production de produits chimiques écologiques, utilisés dans des matériaux tels que les plastiques, les produits pharmaceutiques et les encres, qui s’avèrent essentiels pour le développement d’une économie biosourcée. Pour commencer à quantifier les données de référence en matière d’écologie, l’équipe ROBOX a effectué une analyse comparative du cycle de vie de l’une des réactions BVMO cibles. «Pour chacune d’entre elles, l’oxydation enzymatique avait un impact environnemental inférieur à celui de son équivalent chimique, si le recyclage des solvants et des enzymes était pris en compte. De plus, l’impact de la réaction biocatalysée sur le changement climatique peut être réduit de 71 % lorsque de l’électricité renouvelable est utilisée», explique le professeur Fraaije. À ce jour, le projet a donné lieu à l’obtention de brevets pour les partenaires du projet, ainsi qu’à la création d’une start-up de biotechnologie par l’intermédiaire de l’Université de Groningue.
Mots‑clés
ROBOX, biocatalyseur, vert, chimie, oxydation, enzyme, pollution, conversion industrielle, plastiques, produits pharmaceutiques, économie biosourcée
