DS0503 - Biotechnologies : biotransformation des ressources biologiques

Découverte de nouvelles enzymes pour la valorisation de la biomasse algale – BLUE ENZYMES

Découverte de nouvelles enzymes pour la valorisation de la biomasse algale

Les macroalgues représentent une énorme biomasse principalement constituées de polysaccharides qui diffèrent de ceux des plantes. En dépit de propriétés prometteuses, des produits à haute valeur ajoutée basés sur les poly- et oligo-saccharides d’algues restent rares. Le principal goulot d’étranglement pour le développement d’une bioéconomie bleue est le manque d’enzymes clivant ou modifiant spécifiquement les polysaccharides d’algues, permettant ainsi de contrôler leurs propriétés biologiques.

Le challenge de la découverte d’enzymes pour la biotechnologie bleue

Les enzymes commerciales proviennent essentiellement d’organismes terrestres qui dégradent la biomasse des plantes et sont donc inefficaces ou inactives sur la biomasse des algues. Bien que des enzymes spécifiques aient été découvertes ces dernières années (principalement grâce aux efforts de notre équipe), les voies de dégradation des polysaccharides d’algues restent largement inconnues. Les sources les plus pertinentes d’enzymes spécifiques sont les bactéries marines qui se nourrissent des macroalgues et donc qui effectuent naturellement le « cracking » de la biomasse algale. Parmi ces microorganismes, les flavobactéries marines sont reconnues comme les acteurs clé du recyclage des algues. Dans le contexte de l’émergence des biotechnologies bleues, le projet BLUE ENZYMES vise à découvrir de nouvelles enzymes de flavobactéries marines impliquées dans la bioconversion des polysaccharides d’algues.

Pour découvrir de nouvelles enzymes spécifiques des polysaccharides d’algues, nous utilisons une stratégie multidisciplinaire combinant profilage catabolique et transcriptomique, génomique comparative et reconstruction informatique des réseaux métaboliques. Les enzymes candidates les plus prometteuses sont surexprimées chez Escherichia coli en utilisant une approche à moyen débit. Après une étape de criblage d’activité en utilisant une large collection de poly- et oligosaccharides d’algues, les nouvelles enzymes actives sont étudiées en profondeur au niveau biochimique et structural.

Depuis le début du projet en février 2015, nous avons analysé 41 génomes de flavobactéries marines à l’aide de la plateforme d’annotation Microscope (https://www.genoscope.cns.fr/agc/microscope/home/). Dans le premier round de surexpression de protéines à moyen débit nous avons réussi à obtenir 51% d’enzymes recombinantes solubles (49/96 protéines cibles). La caractérisation des protéines candidates les plus prometteuses est en cours.
Le génome de Zobellia galactanivorans, une flavobactérie marine associée aux macroalgues qui peut utiliser la plupart des polysaccharides d'algues, a été aussi publié (Barbeyron et al, 2016, Environmental Microbiology; travail choisi comme couverture du numéro de décembre). En comparaison avec les génomes de 125 bactéries marines hétérotrophes (BMH), Z. galactanivorans possède le plus haut potentiel de dégradation de polysaccharides avec 141 glycoside hydrolases (GH), 15 polysaccharide lyases (PL) et 71 sulfatases. La plupart de ces gènes sont co-localisés dans 50 loci d'utilisation de polysaccharides (PULs), dont 22 PULs contenant des sulfatases. Enfin, en utilisant des analyses statistiques et de clustering des 126 génomes de BMH nous avons montré que leur catabolisme des glucides corrèle avec la combinaison de la taxonomie et de l'habitat.

Les prochaines étapes seront de finaliser les analyses transcriptomiques et cataboliques des représentant des différents genres de flavobactéries étudiées. Ces données seront corrélées aux résultats de génomique comparative et de reconstruction de réseaux métaboliques afin de sélectionner de nouvelles enzymes candidates. Les études biochimiques et cristallographiques des enzymes du round 1 se poursuivront en parallèle.

1. Martin et al (2015) The cultivable surface microbiota of the brown alga Ascophyllum nodosum is enriched in macroalgal-polysaccharide-degrading bacteria. Frontiers in Microbiology, 6:1487
2. Martin et al (2016) Discovering novel enzymes by funct

Les algues brunes, rouges et vertes dominent la production primaire des écosystèmes côtiers et représentent une énorme biomasse qui est principalement constituée de polysaccharides. Ces polymères divers et complexes diffèrent des polysaccharides de plantes terrestres. Notamment, les macroalgues sont caractérisées par leur abondance en polysaccharides uroniques et sulfatés : alginates et fucoïdanes des algues brunes ; ulvanes des algues vertes ; agars, carraghénanes et porphyranes des algues rouges. De tels polysaccharides sulfatés sont absents des plantes terrestres et rappellent les glycosaminoglycanes sulfatés de la matrice extracellulaire des animaux. Des polysaccharides d’algues sont déjà utilisés dans l’industrie comme gélifiants et agents texturants (e.g. alginates, agars et carraghénanes). Ces biomolécules possèdent aussi de nombreuses propriétés biologiques intéressantes (e.g. immuno-stimulant, anti-viral, anti-coagulant, etc). En dépit de ces propriétés prometteuses, la biomasse algale reste sous-exploitée et des produits à haute valeur ajoutée basés sur des polysaccharides ou des oligosaccharides d’algues restent rares. Le principal frein au développement d’une bioéconomie basée sur les macroalgues est la disponibilité d’enzymes qui clivent spécifiquement les polysaccharides d’algues ou modifient leur structure, permettant ainsi de contrôler finement leurs propriétés biologiques. En effet les enzymes commerciales proviennent quasi exclusivement de bactéries et champignons terrestres qui dégradent la biomasse des plantes et sont donc au mieux inefficaces et plus généralement inactives sur les polysaccharides d’algues. Bien que quelques enzymes spécifiques aient été découvertes ces dernières années (principalement grâce aux efforts de notre groupe), les voies de biodégradation des polysaccharides d’algues restent peu caractérisées. Les sources les plus pertinentes d’enzymes spécifiques sont les bactéries marines qui se nourrissent des algues et font donc naturellement le raffinage de la biomasse algale. Parmi ces microorganismes, les flavobactéries marines sont reconnues comme les acteurs clé du recyclage des algues. Dans le contexte de l’émergence des biotechnologies bleues en France, le projet BLUE ENZYMES vise à découvrir de nouvelles enzymes de flavobactéries marines impliquées dans la bioconversion des polysaccharides d’algues, en utilisant une stratégie multidisciplinaire combinant du profilage catabolique et transcriptomique, de la génomique comparative et de la reconstruction de réseaux métaboliques. Les enzymes candidates les plus prometteuses seront surexprimées dans Escherichia coli par une approche de surexpression à moyen débit. Après une étape de criblage d’activité utilisant des polysaccharides et oligosaccharides d’algues, les nouvelles enzymes actives seront caractérisées biochimiquement et structuralement. Notre consortium se focalisera sur trois genres clé de flavobactéries marines : Zobellia, Mariniflexile et Tenacibaculum. Comme résultats préliminaires, nous avons déjà séquencé le génome de 28 espèces (5 Zobellia, 5 Mariniflexile et 18 Tenacibaculum), génomes qui seront exploités dans le projet BLUE ENZYMES.

Coordinateur du projet

"Laboratoire de Biologie Intégrative des Modèles Marins", UMR 8227, Station Biologique de Roscoff (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

"Laboratoire de Biologie Intégrative des Modèles Marins", UMR 8227, Station Biologique de Roscoff
“Virologie et Immunologie Moléculaires”, INRA Jouy en Josas, UR 892
Commissariat à l'Energie Atomique/Direction des sciences du vivants/Institut Génomique/Génoscope/LABGeM

Aide de l'ANR 495 289 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 48 Mois

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