Élucider le rôle des laccases végétales et fongiques et des enzymes auxiliaires lors de la dépolymérisation et de la polymérisation de la lignine dans un environnement polysaccharidique

Contexte/enjeux

La biomasse ligneuse constitue une ressource renouvelable importante, utilisée notamment dans la bioraffinerie. Riche en composants de la paroi cellulaire secondaire, cette biomasse majoritaire dans les systèmes terrestres fournit de nombreuses molécules, parmi lesquelles des oligosaccharides. La bioraffinerie de seconde génération qui utilise des enzymes hydrolytiques doit néanmoins faire face à plusieurs contraintes, en particulier la présence de lignine : ce polymère phénolique complexe est imbriqué dans les polysaccharides de la paroi cellulaire et limite l’accès des enzymes hydrolytiques fongiques qui sont utilisées pour la saccharification visant, par exemple, à produire du bioétahnol.  Cette récalcitrance impose souvent l’utilisation d’un prétraitement coûteux et polluant. Étonnamment, la polymérisation de la lignine dans la paroi cellulaire végétale et la dépolymérisation de la lignine par des micro-organismes sont toutes deux réalisées par des oxydases appelées laccases. Les laccases végétales pariétales oxydent de petits phénols synthétisés dans le cytosol avant leur incorporation dans le polymère, tandis que les laccases fongiques sont capables de dégrader le polymère en oligomères plus petits en utilisant des médiateurs naturels. Dans les deux cas, l'oxydation médiée par les laccases génère des radicaux phénoliques d'oligolignols qui sont naturellement réactifs et tendent à la re-polymérisation. Cependant, dans la nature, lorsque la lignine est oxydée par des champignons, la re-polymérisation à partir de petits oligomères n'est pas prédominante. C’est en partie ce mécanisme qui est étudié dans le projet

Objectifs du projets et attendus

L'objectif du projet DEOX était d'acquérir une connaissance approfondie sur le mécanisme de construction in planta et de déconstruction de la lignocellulose avec des cocktails enzymatiques. Dans ce contexte, il visait à comparer les activités des laccases végétales et fongiques et les couples d’enzymes auxiliaires pour dévoiler le mécanisme de synthèse des lignines et de leur dépolymérisation dans un environnement riche en oligosaccharides. Ces études ont été menées sur plusieurs matériels dans différentes matrices riches en poly/oligo-saccharides et en lignines quelque fois greffées avec des acides hydroxycinnamiques. Au cours de ce projet, un matériel végétal innovant a été produit, de même qu’un nouveau cocktail enzymatique de saccharification a été mis au point. Plusieurs méthodes de caractérisation de la composition et de la structure de la biomasse (RMN, FTIR, GC-MS) ont été utilisées pour caractériser l’impact des laccases et des enzymes associées sur les polymères présents dans la poudre de bois de peuplier ou directement sur des coupes fines. La production à haut rendement de laccases végétales dans des systèmes d'expression hétérologue a aussi permis une caractérisation fonctionnelle détaillée ouvrant la voie à des études structurales par cristallographie des protéines.

Le projet DEOX est basé sur un consortium original de quatre partenaires (INRAE-BBF, INRAE-BIOFORA, VIB (Belgique) et INRAE)BIA) partageant des intérêts communs et des compétences complémentaires.

L’équipe PVPP coordinatrice du projet s’est concentrée principalement sur la caractérisation de la structure de la biomasse impactée par les enzymes de DEOX lors du processus de saccharification. Ce travail a été rendu possible grâce à l’aide précieuse de la plateforme BIBS. L’objectif a été de comprendre l’effet de ces enzymes sur les polysaccharides d’une part et sur les lignines d’autre part.

Deux étudiantes (Fanny Vinter et Elina Raad) ont soutenu leur doctorat sur le sujet. Plusieurs articles sont en rédaction et deux brevets sont en cours de dépôt.

Représentation schématique de la biomasse ligno-cellulosique à différentes échelles

Synopsis du projet

• Dates : Mai 2022 - Oct 2027
• Coordination : Richard Sibout, unité BIA
• Partenaires/entités impliqués : INRAE-BBF, INRAE-BIOFORA, VIB (Belgique) et INRAE-BIA Equipes BIA impliquées
• Type de financement : ANR

Contact :  Richard Sibout