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

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.

Des flavobactéries marines modèles (e.g. Zobellia galactanivorans, Tenacibaculum maritimum) ont été analysées aux niveaux génomiques et transcriptomiques, en focalisant sur leur capacité à utiliser les polysaccharides marins. Ces analyses ont permis la sélection et la surexpression de 192 enzymes-candidates (61% solubles). Plusieurs nouvelles polysaccharidases ont déjà été étudiées biochimiquement et structuralement (e.g. beta-glucanase, beta-agarase atypique, chondroïtinase B). Un résultat phare est la découverte et la caractérisation intégrative de la voie catabolique complète des carraghénanes.

De nombreuses études aussi bien de génomique fonctionnelle que de biochimie ont pu être initiées dans le cadre du projet Blue Enzymes et seront finalisées au-delà de la fin officielle du projet. De nouvelles polysaccharidases ont été brevetées et seront exploitées, notamment dans le contexte de la création à Roscoff du parc scientifique « Blue Valley Park » dédiée aux biotechnologies marines. Enfin, le projet Blue Enzymes a contribué à l’organisation du 1er congrès international sur les flavobactéries marines (Cargèse, Juin 2018). La prochaine édition de ce congrès aura lieu en 2021 à Roscoff.

1. Martin M et al (2015) Frontiers in Microbiology, 6:1487.
2. Bennke CM et al (2016) Environmental Microbiology, 18, 4456-4470.
3. Barbeyron T et al (2016) Environmental Microbiology, 18, 4610-4627.
4. Martin M et al (2016) Microbiological Research, 186, 52-61.
5. Zhu Y et al (2017) Environmental Microbiology, 19, 2164-2181
6. Pérez-Pascual D et al (2017) Frontiers in Microbiology, 8:1542.
7. Thomas F et al (2017) Frontiers in Microbiology, 8, 1808.
8. Ficko-Blean E et al (2017) Nature Communications, 8:1685.
9. Dorival J et al (2018) Biochemical Journal, 475, 3609-3628.
10. Gobet A et al (2018) Frontiers in Microbiology, 9: 2740.
11. Bridel S et al (2018) Genome Biology and Evolution. 2018 10, 452-457.
12. Rochat T et al (2019) Applied and Environmental Microbiology. 85, e02535-18. doi:10.1128/AEM.02535-18.
13. Naretto A et al (2019) Journal of Biological Chemistry, doi: 10.1074/jbc.RA118.006609.

Brevet
Ficko-Blean E, Larocque R, Correc G, Czjzek M, Michel G. Alpha-1,3-(3,6-anhydro)-D-galactosidases et leur utilisation pour hydrolyser des polysaccharides. Brevet français N° BNT222046PC00 (17/11/2016).

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.