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New enzymatic oxidation/oxyfunctionalization technologies for added value bio-based products

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Les enzymes fongiques catalysent une révolution dans le secteur biotechnologique européen

Pour mettre en place une véritable bioéconomie, les bioraffineries de biomasse devraient tirer non seulement profit de l’usage des matières premières biologiques, mais aussi du recours à des technologies biochimiques plus écologiques et efficaces. Les enzymes fongiques, largement inexploitées, montrent la voie à suivre.

Technologies industrielles
Alimentation et Ressources naturelles

La biomasse végétale est une véritable mine d’or regorgeant de molécules qu’il est possible d’utiliser et de convertir en produits à valeur ajoutée. Dotée de la même structure carbonée que les combustibles fossiles dérivés d’organismes vivants, la biomasse végétale a également le potentiel de remplacer les produits pétrochimiques et de servir de base pour des composés d’importance. Le projet EnzOx2, financé par l’UE, s’est servi de champignons et de leurs enzymes oxydantes (oxydases et peroxygénases), dont les applications commerciales étaient jusqu’ici peu étudiées, pour produire durablement des composés à valeur ajoutée à partir de la biomasse. Par la même occasion, EnzOx2 a renforcé les collaborations européennes entre les acteurs de la recherche et de l’industrie.

Une boîte à outils d’enzymes fongiques

EnzOx2 a ciblé des réactions donnant des composés pertinents pour les secteurs industriels majeurs des plastiques, des produits pharmaceutiques et des arômes et parfums (F&F pour flavour and fragrance, en anglais). Angel T. Martinez, coordinateur du projet au Centre Margarita Salas pour la recherche biologique, l’un des plus grands et des plus prestigieux centres de recherche du Conseil supérieur espagnol de la recherche scientifique, explique: «Les partenaires d’EnzOx2 ont d’abord tiré profit de la diversité largement inexploitée des oxydoréductases dans les champignons provenant d’habitats particuliers, et des gènes d’oxydoréductase dans les génomes fongiques séquencés, afin d’obtenir de nouvelles enzymes intéressantes. La performance catalytique, la sélectivité et/ou la stabilité des meilleures enzymes candidates ont ensuite été adaptées aux conditions de réaction requises, en fonction des besoins, à l’aide d’outils d’ingénierie des protéines.»

Une voie durable vers des plastiques tout aussi durables

L’acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) est l’un des 12 produits chimiques à valeur ajoutée les plus importants dérivés de la biomasse, car il s’agit d’un précurseur renouvelable pour la production de poly(éthylène-2,5-furandicarboxylate) (PEF). Le PEF est le polymère appelé à remplacer le poly(éthylène-téréphtalate), dérivé du pétrole, pour la fabrication de plastiques durables. EnzOx2 a proposé trois voies de production du FDCA à partir du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) ou du 5-méthoxyméthylfurfural (MMF). L’équipe a optimisé la cascade bi-enzymatique précédemment développée pour la conversion du HMF en FDCA, ainsi qu’une nouvelle cascade impliquant deux oxydases et une peroxygénase. Les scientifiques ont également atteint un taux de conversion de 99 % en utilisant une oxydase en présence de catalase afin d’éliminer le peroxyde d’hydrogène généré, qui s’était avéré inhiber la dernière étape d’oxydation. Enfin, étant donné que la production à grande échelle de bioplastiques à base de FDCA sera basée sur le MMF, une cascade autonome de trois enzymes a été mise au point pour cette voie, avant d’être brevetée.

Des molécules dérivées des lipides pour les produits pharmaceutiques, les aliments et les parfums

Les peroxygénases non spécifiques ont ouvert la porte à une multitude de composés provenant des lipides de la biomasse. Parmi les nombreux résultats obtenus, citons un brevet pour le raccourcissement contrôlé d’un atome de carbone de la chaîne de certains acides gras, une nouvelle chimie de réaction susceptible de donner des acides sur mesure qu’on rencontre rarement dans la nature. En ce qui concerne les transformations des stéroïdes, les scientifiques ont trouvé une peroxygénase qui catalyse l’oxygénation sélective de la testostérone pour obtenir de la 4-hydroxytestostérone, un principe actif pharmaceutique utilisé pour la synthèse de médicaments contre le cancer du sein. Cette réaction a récemment fait l’objet d’un passage à l’échelle supérieure et a été évaluée favorablement en vue d’une mise en œuvre industrielle. Les peroxygénases ont également permis de parvenir à la synthèse sélective de 4-hydroxyisophorone et de 4-cétoisophorone, brevetée, qui intéresse à la fois le secteur pharmaceutique et celui des F&F. Angel T. Martinez résume: «Au cours des 30 dernières années, les emplois et les revenus des produits de l’industrie chimique biosourcée se sont progressivement déplacés de l’Europe vers l’Asie. EnzOx2 est en train de changer la donne. Nous avons identifié et/ou modifié des enzymes fongiques afin d’obtenir des molécules complexes pour des produits chimiques spécialisés (presque impossibles à produire par synthèse chimique) tout en modifiant en parallèle des matières premières à faible coût dans des processus enzymatiques à haut rendement énergétique.» Grâce aux résultats du projet, l’Europe vient de renforcer sa position concurrentielle dans le domaine des biotechnologies industrielles, en plein essor.

Mots‑clés

EnzOx2, biomasse, enzymes, acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA), 5-hydroxyméthylfurfural (HMF), oxydase, peroxygénase, champignons, plastiques, produits pharmaceutiques, poly(éthylène-2,5-furandicarboxylate) (PEF), arômes et parfums (F&F), biotechnologie

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