Les enzymes

Les enzymes sont des macromolécules de nature protéique caractérisées par leur activité catalytique qui gouverne des réactions biochimiques spécifiques au sein de l’organisme. Du fait de leur nature protéique, les enzymes sont codées par des gènes présents dans le génome de l’organisme hôte et peuvent bénéficier de l’ensemble de la technologie de l’ADN recombinant à des fins de modification et d’amélioration si nécessaire.

Les enzymes industrielles

Le marché global des enzymes industrielles et de spécialité était estimé à 3,6 milliards de dollars en l’an 2000. Moins de 30 enzymes comptent pour plus de 90% des enzymes industrielles utilisées. La grande majorité de celles ci sont cependant fragiles et peu résistantes dans les conditions d’usage industriel, d’où la recherche d’enzymes de substitution plus robustes (température, pH et pression). Celles issues des microorganismes des sources hydrothermales présentent a priori un potentiel important en raison de leur thermostabilité et pour certaines, leur aptitude à résister à la dénaturation sous pression du fait de la piézophilie ou de la piézotolérance de leurs hôtes

Les microorganismes thermophiles présentent surtout un intérêt pour leurs enzymes thermostables. Dans le secteur agroalimentaire, les recherches sont menées sur les enzymes permettant de simplifier le processus de conversion de l’amidon en dérivés sucrés (amylases, pullulanases, glucosidases). La Pyrolase™ 160 (Diversa Corporation, San Diego, USA), isolée d’un microorganisme d’une source hydrothermale profonde, est une beta-mannanase à spectre large pouvant être utilisée dans l’industrie à des pH de 5 à 9 à des températures supérieures à celles des enzymes concurrentes. Elle possède une spécificité de substrat large incluant l’hydrolyse des liaisons beta des polysaccharides. Une autre voie d’approche est celle privilégiant l’utilisation d’enzymes thermostables pour améliorer la digestibilité des matières premières destinées à la fabrication d’aliments du bétail, comme les phytases, les carbohydrases et les protéases. Les protéases thermostables sont aussi ciblées dans la dégradation de certains résidus protéiques résistants (plumes, soies de porcs, sabots de ruminants) qui posent des problèmes de stockage et d’environnement. Dans l’industrie papetière, la recherche d’enzymes telles que les xylanases est destinée principalement à fournir des process innovants moins polluants en substitution à l’utilisation de composés chlorés. Autre exemple, dans le secteur des textiles, des cellulases sont utilisées pour blanchir et vieillir les « jeans ».

Les applications effectives des enzymes des microorganismes des sources hydrothermales sont, en dépit des multiples travaux engagés, encore relativement peu nombreuses aujourd’hui. L’implication des entreprises de biotechnologies telles de Diversa aux Etats-Unis, Prokarya en Islande et Protéus en France dans ce secteur devrait faire évoluer la situation. Ces sociétés possèdent des collections de plusieurs milliers d’isolats microbiens dont de très nombreux issus des sources hydrothermales océaniques profondes. Elles possèdent en outre, des banques d’expression constituées à partir des ADN totaux extraits d’échantillons bruts prélevés dans des sédiments, des roches, des animaux de divers milieux extrêmes. Leur capacité de criblage d’activités enzymatiques et la maîtrise des moyens techniques d’améliorer les enzymes natives par la technologie de l’évolution dirigée offrent des possibilités d’identification et de design d’enzymes aux performances inégalées. C’est ainsi que Protéus procède actuellement, avec la société Degussa, au développement d’une lipase-estérase issue d’un Thermococcus , aux performances très nettement supérieures à celles de la concurrence. La montée en puissance des « technologies blanches » destinées à remplacer dans l’industrie des process chimiques à fort impact sur l’environnement devrait renforcer l’intérêt des enzymes issues des extrêmophiles dans un proche avenir. C’est dans ce cadre que l’Ifremer a un accord de partenariat exclusif sur les enzymes avec la société Protéus.

Les enzymes de biologie moléculaire

La technologie de l’ADN recombinant est basée sur l’utilisation d’outils moléculaires capables de couper, réparer, copier, ligaturer des fragments d’ADN in vitro. La révolution moléculaire de ces trente dernières années repose sur ces outils et ainsi que celle de la génomique, initialement basée sur le séquençage à haut débit de fragments d’ADN de plus ou moins grande taille. L’apport essentiel des enzymes des thermophiles est lié au problème de l’amplification (ou multiplication) des fragments d’ADN in vitro à partir de faibles quantités, incompatibles avec un séquençage direct ou une analyse. L’invention d’une méthode d’amplification de gène in vitro par le chimiste Kary Mullis au début des années 80, basée sur une recette simple (prendre des fragments d’ADN, les séparer en chauffant de manière à obtenir des fragments simples brins, et fabriquer leur complémentaire à l’aide d’une ADN polymérase et d’amorces, et recommencer le cycle autant de fois que nécessaire) va fournir une réponse simple et efficace à ce problème. La clé du système réside dans l’utilisation d’une ADN polymérase thermostable, capable de supporter les nombreux cycles de montée en température jusqu’à 94°C, indispensable pour dénaturer l’ADN double brin. Cette enzyme sera d’abord extraite d’une bactérie thermophile isolée par Brock, Thermus aquaticus. Elle permettra la généralisation de cette technique. Les limites de l’enzyme et en particulier le nombre d’erreurs faites en copiant le brin matrice ont d’une part, incité à en améliorer les performances, par les outils de l’ingénierie protéique et encouragé d’autre part la recherche d’ADN polymérases plus performantes. L’une des réponses sera fournie en prospectant les propriétés d’un groupe d’archées hyperthermophiles, celui des Thermococcales auquel appartiennent les genres Pyrococcus et Thermococcus principalement issues des sources hydrothermales. P. abyssi et de nombreux Thermococcus ont ainsi été isolés de sources hydrothermales profondes et leurs ADN polymérases possèdent une thermostabilité supérieure à celle des Thermus et surtout, présentent une fidélité de 2 à 10 fois supérieure. Ces enzymes sont en conséquence recommandées pour les applications nécessitant de limiter au maximum la probabilité d’erreurs, comme dans le cas de diagnostic de maladies génétiques.