Evolution dirigée d’enzymes : modifier leurs activités pour obtenir de nouvelles propriétés

Quelles sont les étapes préalables à l’utilisation d’enzymes dans l’industrie ?

C. Tellier Les enzymes sont des protéines impliquées dans le métabolisme de tous les êtres vivants. Il est possible de les utiliser ex-vivo dans des procédés industriels, mais cela nécessite souvent de les modifier en utilisant des techniques d’évolution dirigée. Ces approches permettent de faire évoluer rapidement une enzyme pour leur conférer de nouvelles propriétés.

Nous pouvons par exemple modifier une enzyme pour qu’elle accepte un nouveau substrat d’origine non naturelle ou pour améliorer son activité catalytique, sa stabilité à la température, à un pH acide ou basique, etc.

Comment fonctionne l’évolution dirigée d’enzyme ?

T. Bessonnet Pour réaliser une évolution dirigée d’enzyme, nous avons recours à la mutagénèse pour modifier de manière aléatoire ou rationnelle les gènes codant ces protéines.

Après une mutagénèse aléatoire, nous réalisons un criblage afin d’identifier les enzymes ayant développé la propriété recherchée.

La mutagénèse rationnelle quant à elle nous permet de cibler des régions du gène dont les fonctions sur la protéine sont connues.

Généralement, nous associons les deux types de mutagénèses.

Pour quelles raisons ? 

C. Tellier Associer mutagénèse aléatoire et mutagénèse ciblée permet d’accélérer l’évolution de l’enzyme. Souvent, une approche rationnelle n’est pas suffisante. En effet, les relations structure-fonction au sein des protéines sont encore mal connues, et sont l’objet de recherches très actuelles. Personne ne sait prédire avec précision la fonction d’une protéine à partir de la structure observée, d’où le recours à la mutagénèse aléatoire.

En outre, grâce à cette technique, des activités encore inconnues peuvent émergées, et se révéler intéressantes pour développer de nouvelles applications d’une enzyme.

Pouvez-vous nous donner des exemples d’applications de l’évolution dirigée d’enzyme ?

T. Bessonnet Nous avons recours à l’évolution dirigée d’enzyme pour produire de nouvelles molécules à forte valeur ajoutée telles que les oligosaccharides de lait humain (HMOs, Human Milk Oligosaccharides).

Nous utilisons également cette technique pour améliorer un procédé. Dans le cadre de ses travaux de recherche, la jeune biotech DNA Script nous a ainsi chargé d’améliorer les performances d’une enzyme afin de la rendre utilisable dans la synthèse d’ADN.

Dans les mélanges complexes, et notamment dans l’agroalimentaire, l’évolution dirigée d’enzymes permet de renforcer leur activité pour dégrader des polymères naturels. L’entreprise Cycle Farm avait par exemple besoin d’augmenter la digestibilité d’aliments piscicoles. Ceux-ci sont fabriqués à partir de larves d’insectes qui contiennent beaucoup de chitine, un biopolymère insoluble et peu digeste pour les poissons. Nous avons résolu cette problématique en ajoutant un biocatalyseur enzymatique à la farine d’insectes.

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