Stage Bac+3/5 : Couplage des enzymes et chimie pour faciliter la fribrillation de la cellulose

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

Contexte :

Ce projet s’inscrit dans le cadre du projet SmartCoupling, financé par le PEPR B-Best (France 2030), qui vise à combiner enzymes et chimie pour créer des outils durables et adaptés pour le fractionnement et la conversion de la biomasse lignocellulosique (LCB).

Le LCB peut être considéré comme une source d’énergie et de matériaux durable et prometteuse. Pour cette raison, sa dégradation a suscité beaucoup d’intérêt pour le développement des biocarburants ainsi que des produits chimiques et des nanocelluloses.^[1,2] Le principal verrou de l’utilisation de la LCB est son caractère récalcitrante, qui résulte de l’arrangement des biopolymères donnant lieu à des interactions fortes et des structures cristallines.^[3] Pour cette raison, le fractionnement de la LCB nécessite des prétraitements chimiques, mécaniques et/ou enzymatiques, qui augmentent les coûts (énergie) et l’empreinte environnementale (produits chimiques, eau, déchets).

Pour cela, la nature a déjà mis en place une batterie d’enzymes évoluées par des micro-organismes pour la dégradation de la paroi cellulaire. Dans ce domaine, les champignons sécrètent des enzymes dont l’activité synergique permet la dégradation de la lignocellulose. Parmi ces enzymes, les « lytic polysaccharide monooxygènases » (LPMO) clivent les polysaccharides par oxydation.^[4] Les LPMOs ont déjà démontré un rôle principal sur le fractionnement de la cellulose.^[2] Dans ce contexte, les laboratoires BIA et BBF ont été les premiers à décrire l’effet des LPMOs sur la fibre de cellulose, et nous avons démontré leur attaque sur des zones de tension, ce qui crée des points d’entrée qui facilitent la fibrillation.^[1,5] Bien que l’action de LPMO sur la fibre de cellulose soit prometteuse, la LCB est un substrat plus complexe qui peut entraver leur action enzymatique.

En plus, dans des travaux précédents, le laboratoire BIA a démontré que l’acide cinnamique facilite la fibrillation des fibres cellulosiques par intercalation, qui permet de déstructurer la structure hiérarchique de la cellulose.^[6]

Sujet :

Le stage se concentrera sur l’action des acides cinnamiques et les LPMOs en tant qu’enzymes oxydatives pour déstructurer la LCB. Notre hypothèse est que le traitement avec l’acide cinnamique pourrait faciliter le gonflement et l’accessibilité des fibres, ce qui stimulerait l’action des LPMOs pour obtenir des nanofibres de cellulose en appliquant des traitements mécaniques doux.

Ce stage vise à étudier l’action des LPMO des fibres prétraitées par l’acide cinnamique. Le but est de contrôler l’activité enzymatique pour deux objectifs principaux : (i) obtenir plus d’informations sur le mécanisme d’action des LPMO, et (ii) utiliser la biotechnologie comme outil pour fractionner la LCB. À cet effet, nous proposons les objectifs suivants :

1. Comprendre le mécanisme d’action de la chimie et les enzymes LPMOs sur différents substrats de LCB.
2. Définir des protocoles de fractionnement de LCB assistés par des enzymes.

Laboratoire d’accueil : Ce stage se déroulera au sein de l’équipe Nano de l’unité Biopolymères Interactions Assemblages (BIA) à l’INRAE de Nantes (pour plus d’info voir: https://ur-bia.angers-nantes.hub.inrae.fr/).

L’équipe Nano se positionne sur les nanotechnologies et les biopolymères végétaux, avec une focalisation principale sur les nanocelluloses, pour la mise en œuvre de matériaux biosourcés. L’équipe développe des matériaux innovants et durables, présentant des fonctionnalités similaires voire supérieures à leurs analogues pétro-sourcés. Il s’agit de contrôler la structure d'un panel de nanoparticules plateformes de morphologie et chimie de surface variées en ciblant des modifications par adsorption d'autres polymères, des modifications utilisant des stratégies présentant peu d’impacts environnementaux, des procédés peu énergivores, sans solvant, ou encore des modifications chimiques et enzymatiques ciblées.

Références

[1] A. Villares, C. Moreau, C. Bennati-Granier, S. Garajova, L. Foucat, X. Falourd, B. Saake, J. G. Berrin, B. Cathala. Sci Rep 2017, 7, 40262.

[2] C. Moreau, S. Tapin-Lingua, S. Grisel, I. Gimbert, S. Le Gall, V. Meyer, M. Petit-Conil, J. G. Berrin, B. Cathala, A. Villares. Biotechnol. Biofuels 2019, 12.

[3] P. E. Marriott, L. D. Gómez, S. J. McQueen-Mason. New Phytologist 2016, 209, 1366–1381.

[4]  B. Bissaro, V. G. H. Eijsink. Essays in biochemistry 2023.

[5]  M. Chemin, K. Kansou, K. Cahier, M. Grellier, S. Grisel, B. Novales, C. Moreau, A. Villares, J. G. Berrin, B. Cathala. Biomacromolecules  2023, 24, 3246–3255.

[6]          M. Grellier, L. Brionne, J. Beaugrand, B. Duchemin, A. Villares. ACS Sustainable Resource Management 2025, 2, 1049–1056.

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