La valorisation de la biomasse lignocellulosique fait partie des efforts nécessaires pour la transition vers une économie durable. La complexité de cette biomasse nécessite un pré-traitement coûteux pour sa valorisation. Pour réduire ces couts, il est possible de le combiner avec un pré-traitement biologique. Pour cela, des enzymes spécifiques au substrat catalysent sa déconstruction sous conditions ‘douces’. Néanmoins, les pré-traitements biologiques sont peu efficaces. Pour les optimiser, il est important de comprendre ce qui se passe lors de la dégradation enzymatique d’un polymère et ensuite trouver des approches pour l’améliorer. Lors de la dégradation, l’enzyme est confrontée avec une concentration élevée en polymère et doit se propager dans une structure dense et complexe. Comment est-ce que la présence du polymère impacte cette propagation ? Est-ce que l’activité de l’enzyme impacte sa mobilité ? Et cette activité, est-elle aussi impactée par la concentration élevée en polymère ?
Ce sont les questions qui ont guidé ce projet de thèse qui se fonde sur une approche expérimentale qui combine l’enzymologie, la physique et l’imagerie. Dans un premier temps, on a caractérisé le polymère, arabinoxylane, pour déterminer sa structure et les caractéristiques du réseau formé par ses chaînes à différentes concentrations. Ces caractéristiques apportent des informations importantes pour les expériences de diffusion. Ensuite, on a étudié la dégradation enzymatique du polymère à différentes concentrations par une xylanase, avec des mesures de vitesse de réaction et de la taille des produits. On n’a pas constaté d’impact de la concentration en polymère sur la vitesse de réaction, mais on a trouvé des indications qu’une forte concentration en polymère entraînerait des produits de réaction plus petits. A la fin, on a utilisé la microscopie à fluorescence et de l’imagerie pour étudier la diffusion d’une enzyme active et inactive dans les solutions de polymère. Les résultats ont montré que la diffusion de l’enzyme ne suit pas la relation de Stokes-Einstein, mais qu’elle est déterminée par une viscosité effective, proche de la viscosité du solvant, et que la diffusion diminue avec la concentration en polymère. Dans le cas de l’enzyme active, la diffusion a été accélérée, ce qui montre un couplage entre l’activité et la mobilité de l’enzyme. |
The valorisation of lignocellulosic plant biomass plays an important role in the transition towards a more sustainable economy. Due to the complexity of this material, its valorisation is challenging and needs a pre-treatment that is expensive. One way to reduce the costs of this step is to combine it with a biological pre-treatment. Here, specific enzymes are used at ‘soft’ conditions to deconstruct the biomass. This step is very promising, but it lacks in efficiency. One approach for its optimisation is to better understand what happens during the enzymatic degradation of a polymer and then use the information to improve it. During the degradation, the enzyme is confronted with high concentrations of polymer and has to navigate a very dense and complex environment to access its target sites. How does the presence of the polymer impact the mobility of the enzyme inside this structure? Does the activity of the enzyme impact its mobility? And is its activity in turn impacted by the high concentrations of polymer?
These are the questions that guided this PhD project and were studied using an experimental approach that combines enzymology, physics and imaging. At first, we characterised our polymer, wheat arabinoxylan, using small-angle neutron scattering to determine its structure and network characteristics at different polymer concentrations. The latter is a key information for the diffusivity of the polymer solution and our diffusion experiments. Then, we studied the enzymatic degradation of the polymer by a xylanase at different substrate concentrations using a colorimetric activity assay and size-exclusion chromatography with multi-angle light scattering. While we did not see an effect of the polymer concentration on the initial reaction rate, we saw some indications that a higher polymer concentration lead to the creation of smaller degradation products. Finally, we used fluorescence microscopy and imaging to study the diffusion of the active and inactive enzyme in the polymer solution. We found that the diffusion of the enzyme did not follow the Stokes-Einstein relation but was governed by an effective viscosity close to the viscosity of pure solvent and decreased with increasing polymer concentration. In the case of the active enzyme, the diffusion was accelerated, showing the link between enzymatic activity and mobility. |