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Biocarburants, biomatériaux :  une nouvelle enzyme pourrait changer la donne

Une nouvelle enzyme capable de dégrader le xylane recouvrant les fibres de cellulose du bois ouvre la perspective d’une optimisation significative pour déconstruire la biomasse lignocellulosique et pour traiter la cellulose. Trois brevets relatifs à la production de sucres fermentescibles et à la défibrillation des substrats cellulosiques ont été déposés par l’Inra.

les champignons dégradeurs de bois, nouvelles enzymes
Mis à jour le 30/05/2018
Publié le 25/05/2018

Biodiversité et biotechnologies lignocellulosiques

Depuis plus de 30 ans, l’unité mixte de recherche Biodiversité et Biotechnologies Fongiques (BBF) explore le monde des champignons filamenteux déconstructeurs de bois à la recherche de nouvelles applications industrielles. Le laboratoire dispose d’une importante « bibliothèque de souches fongiques » appartenant au centre international de ressources microbiennes, CIRM (voir encadré). En s’intéressant à un champignon de couleur rouge orangée répondant au doux nom de Pycnoporus coccineus, les espoirs des chercheurs ont été récompensés. Dans une récente publication produite en collaboration avec le CNRS et l’université de York (voir encadré), ils révèlent leur découverte. Il s’agit d’une nouvelle enzyme appartenant à la classe des LPMO (Lytic Polysaccarides Mono Oxygénases), capable de digérer spécifiquement le xylane qui recouvre naturellement les fibres de cellulose du bois. Jusqu’à présent, ce xylane constituait une barrière mécanique, freinant l’action des cocktails enzymatiques employés à la déconstruction de la biomasse lignocellulosique.

Plusieurs brevets dédiés aux LPMO

Malgré des recherches actives, le rendement des cocktails enzymatiques utilisés pour convertir la cellulose en sucres solubles reste problématique. Cet état de fait constitue l’un des obstacles au développement industriel des biocarburants cellulosiques rendant les coûts de la production trop élevés. Après des essais concluants menés sur des fibres de bois de peuplier et de pin, les chercheurs ont déposé en 2016, un brevet (voir encadré) proposant une combinaison enzymatique qui permet d’améliorer l’efficacité de transformation de la cellulose en glucose.
Les nanofibrilles de cellulose et les nanocelluloses sont couramment employées dans les industries papetières, pharmaceutiques, cosmétiques, alimentaires en tant qu’additifs dispersant ou stabilisant aussi bien que pour la fabrication de nouveaux matériaux composites. Leur fabrication nécessite une étape de délaminage des fibres de cellulose, étape particulièrement énergivore. Les solutions alternatives proposées comme, l’action de cellulases ou bien le traitement par oxydation chimique génèrent soit des fibres de qualité très variable, soit des effluents fortement pollués. En collaboration avec les chercheurs de l’UMR BBF, des scientifiques de l’unité de recherche Biopolymères Interactions Assemblages (INRA à Nantes) ont montré que les LPMO pouvaient être mises à profit pour créer des brèches dans la structure cristalline des fibres de cellulose, facilitant leur fractionnement ultérieur. Deux brevets déposés en 2015 et 2017 (voir encadré) proposent un nouveau procédé enzymatique de défibrillation de substrats cellulosiques. Les travaux entrepris depuis visent plus généralement à évaluer l’action des enzymes LPMO sur des substrats plus complexes.
Des discussions sont actuellement en cours pour l’utilisation de ces enzymes sur des applications industrielles, des opportunités de partenariats restent ouvertes.

BBF : un acteur majeur dans la recherche sur les LPMO

Voilà plus de 6 ans que les chercheurs de l’UMR BBF se penchent sur cette nouvelle classe d’enzymes. Expérimentant de nouvelles approches visant à explorer la diversité enzymatique fongique, ils sont à l’origine de la découverte de la famille AA14 selon la classification CAZy (www.cazy.org) spécifiquement active sur le xylane recouvrant les fibres de cellulose dans le bois. Aujourd’hui, leur compétence est reconnue à la fois pour leurs travaux en génomique, pour la caractérisation physico-chimique et fonctionnelle des enzymes ainsi que pour la production par génie génétique de souches productrices de LPMO ensuite testées à l’échelle du laboratoire.
Fin 2018, le laboratoire organisera le second symposium international dédié aux LPMO.  
L’UMR BBF est une composante de l’Institut Carnot 3BCAR.
Voir aussi l’article et la vidéo en ligne sur le site de l’Inra.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Jean-Guy BERRIN Unité Mixte de Recherche Biodiversité et Biotechnologie Fongiques –UMR 1163 BBF-, INRA et Université d’Aix – Marseille, Faculté des Sciences de Luminy – Polytech 163 avenue de Luminy, CP 925, 13288 Marseille cedex 09
Département(s) associé(s) :
Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture

Références

Publications

  • Villares A, et al., Lytic polysaccharide monooxygenases disrupt the cellulose fibers structure. Sci Rep. 2017 Jan 10 ;7:40262. doi: 10.1038/srep40262
  • Couturier M, et al., Lytic xylan oxidases from wood-decay fungi unlock biomass degradation. Nature Chemical Biology 14, 306-310 (2018) doi:10.1038/nchembio.2558

Brevets

  • Procédé pour la fabrication de nanocelluloses à partir d'un substrat cellulosique : FR3037078 étendu par PCT WO2018/50300
  • Polysaccharide-oxidizing composition and uses thereof : EP16306162.5 étendu par PCT WO2018/50300
  • FR1757422 du 02/08/2017, non encore publié

Le centre international de ressources microbiennes– Champignons filamenteux ou CIRM -CF

Logo du Centre international de  RESSOURCES MICROBIENNES. © inra, CIRM
© inra, CIRM

Le CIRM regroupe l’ensemble des collections de micro-organismes (bactéries, levures, champignons filamenteux) de l’Inra. Le CIRM – champignons filamenteux est localisé dans les locaux de l’UMR BBF à Marseille et propose un catalogue de plus de 2 200 souches de champignons filamenteux d'intérêt agro-industriel.  Outre la diffusion de ces souches, le CIRM- CF propose des prestations de services telles que le dépôt de souches, le criblage d’activités enzymatiques ou bien la caractérisation de molécules enzymatiques.  
Contact : CIRM_CF@inra.fr