Les déchets plastiques, y compris le polyuréthane (PUR), représentent un défi environnemental majeur en raison de leur utilisation répandue dans diverses industries et de leur résistance à la dégradation naturelle. Alors que les méthodes traditionnelles de recyclage des plastiques restent inefficaces, des approches alternatives, telles que la dégradation enzymatique, offrent une solution prometteuse et écologique. Cependant, les recherches sur les enzymes capables de dégrader le PUR demeurent limitées. Cette thèse se concentre sur l’étude de l’enzyme cutinase de Thermobifida fusca (TfCut2) et de son potentiel pour la dégradation du PUR, en utilisant l’Impranil DLN comme substrat modèle pour explorer l’activité catalytique de l’enzyme.
L’étude combine des méthodes computationnelles et expérimentales pour identifier les déterminants moléculaires impliqués dans la liaison au substrat et la catalyse. Des simulations de docking moléculaire et de dynamique moléculaire ont été réalisées pour étudier les interactions entre TfCut2 et l’Impranil DLN, permettant d’identifier des résidus clés jouant un rôle dans la capacité de l’enzyme à se lier au substrat PUR. De plus, des outils de conception computationnelle de protéines ont été utilisés pour prédire des mutations visant à améliorer la liaison protéine-ligand et les performances catalytiques de l’enzyme.
La validation expérimentale des mutants prédits a révélé que trois mutants ponctuels, à savoir G62A, T61V et T207D, présentent des taux de dégradation significativement accrus, avec G62A affichant une amélioration de l’activité de plus du double par rapport à l’enzyme sauvage. T207D a également montré une augmentation marquée du rendement de production, mettant ainsi en évidence le potentiel de l’ingénierie rationnelle des enzymes. Ces résultats suggèrent que les mutations ingénieurées peuvent améliorer de manière substantielle l’efficacité catalytique de TfCut2 pour la dégradation du PUR.
L’étude met en lumière les complexités de la modélisation et de l’évaluation expérimentale de la dégradation du PUR, étant donné l'hétérogénéité des structures du PUR et des produits de dégradation associés. Malgré ces défis, ce travail établit un cadre pour l’adaptation des cutinases à la dégradation des polymères synthétiques, offrant des éclairages sur les modes de liaison au substrat et les étapes potentiellement limitantes. Les résultats contribuent à l’objectif plus large de développer des solutions efficaces et durables pour le recyclage des polymères et la gestion des déchets plastiques. |
Plastic waste, including polyurethane (PUR), represents a significant environmental challenge due to its widespread use in various industries and its resistance to natural degradation. As traditional recycling methods for plastics remain inefficient, alternative approaches, such as enzymatic degradation, offer a promising, eco-friendly solution. However, research on enzymes capable of degrading PUR is still limited. This dissertation focuses on investigating the cutinase enzyme from Thermobifida fusca (TfCut2) and its potential for PUR degradation, with Impranil DLN used as a model substrate to explore the enzyme's catalytic activity.
The study employs a combination of computational and experimental methods to identify the molecular determinants involved in substrate binding and catalysis. Molecular docking and molecular dynamics simulations were performed to study the interactions between TfCut2 and Impranil DLN, identifying key residues that play a role in the enzyme’s ability to bind to the PUR substrate. In addition, computational protein design tools were used to engineer mutations aimed at enhancing protein-ligand binding and enzyme's catalytic performance.
Experimental validation of the designed mutants showed that three single-point variants, namely G62A, T61V and T207D, demonstrated significantly increased degradation rates, with G62A achieving more than a twofold improvement in activity over the wild-type enzyme. T207D also showed a marked increase in production yield, further underscoring the potential of rational enzyme engineering. These results suggest that engineering mutations can substantially enhance the catalytic efficiency of TfCut2 for PUR degradation.
The study highlights the complexities of modelling and experimentally assessing PUR degradation, given the heterogeneity of PUR structures and their degradation products. Despite these challenges, this work establishes a framework for tailoring cutinases for synthetic polymer degradation, providing insights into substrate binding modes, and potential rate‑limiting steps. The findings contribute to the broader goal of developing efficient, sustainable solutions for polymer recycling and plastic waste remediation. |