Des cristaux liquides cholestériques sphériques pour modéliser l'activité enzymatique sur des polysaccharides – CLICTEAM

De grandes quantités de matériaux lignocellulosiques sont générées par l’agriculture et sont considérées comme une matière première renouvelable prometteuse pour diverses applications. Ils contiennent essentiellement des polysaccharides, tels que la cellulose et les hémicelluloses. La conversion biologique de la biomasse par des enzymes est intéressante car elle offre la possibilité de produire des composés saccharidiques par des procédés à faible impact environnemental (réduction de l’eau et de l’énergie). Ces composés pourraient servir de base pour des matériaux, ou pour les industries pharmaceutique, cosmétique ou alimentaire. L’hydrolyse enzymatique à forte teneur en matière sèche (=15% p/p) pourrait rendre le procédé de conversion économiquement plus intéressant. Cela reste cependant un vrai challenge étant donné la faible compréhension que nous avons de l’activité des enzymes en milieu dense, où la diffusion de l’enzyme peut être limitée et son mode d’action modifié.
L’objectif du projet CLICTEAM est de développer une plateforme pour mimer l’activité enzymatique dans la paroi végétale. Pour simuler l’organisation complexe des polysaccharides pariétaux, l’enjeu majeur est d’aligner la cellulose et les molécules associées dans une structure dense de façon contrôlée. Par hydrolyse acide, les fibres de cellulose produisent des bâtonnets cristallins nanométriques. Ces nanocristaux de cellulose (CNC) peuvent s’auto-assembler pour former des phases cristal liquides de type cholestérique stables. Des développements récents en microfluidique ont montré la possibilité de préparer des gouttelettes individuelles cœur-couronne de cristal liquide qui permettent une élaboration maitrisée d’un système dense. Dans le projet CLICTEAM, nous adapterons cette technique pour simuler des parois sphériques à base de cellulose, auxquelles nous ajouterons du xyloglucane (XG), une hémicellulose pariétale. Ce système doit permettre de mimer l’architecture dense et organisée des parois et suivre la dégradation enzymatique en milieu contraint.
La première étape du projet CLICTEAM vise à produire et caractériser des couronnes CNC-XG et en contrôler les paramètres. Ce dispositif novateur servira de plateforme expérimentale pour l’étude des enzymes. La seconde étape du projet est d’intégrer des enzymes à cette architecture cellulosique dense et organisée. Nous étudierons les changements de structure induits par les modifications enzymatiques en utilisant l’imagerie multiphoton et suivrons la diffusion des enzymes dans la phase dense cholestérique par autofluorescence des protéines. L’analyse des produits de l’hydrolyse enzymatique nous indiquera si le mode d’action de l’enzyme est altéré par le milieu dense dans lequel elle travaille.
L’approche multidisciplinaire du projet CLICTEAM nécessite des expertises en physique, physico-chimie et biochimie et des techniques expérimentales de pointe : de la microfluidique à la microscopie de fluorescence dans l’UV profond. Le consortium CLICTEAM regroupe ces compétences. L’INRA-BIA est expert sur la structure des polysaccharides, en particulier la cellulose, et sur l’activité enzymatique associée. L’équipe GULIVER (CNRS-ESPCI) est spécialiste des cristaux liquides confinés, des méthodes microfluidiques et de l’organisation 3D de la phase cholestérique. Le synchrotron SOLEIL (CEA-SACLAY-CNRS) est expert des techniques expérimentales telles que l’autofluorescence en UV profond et l’imagerie multiphoton qui constituent les techniques clés pour suivre les enzymes.
Les résultats attendus serviront de base pour mieux comprendre la déstructuration des parois végétales, un enjeu majeur dans l’utilisation de la biomasse végétale. Au delà, ce projet répondra à un défi sociétal important en apportant des données fondamentales aux applications industrielles de la biorafinerie où les enzymes sont mises en œuvre en milieu peu hydraté, comme la production de bioéthanol et de molécules plateformes, ou l’alimentation animale.