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RÉSUMÉ
Les enzymes savent compenser leur manque de généricité par leur extraordinaire sélectivité, voire énantiosélectivité et régiosélectivité. Ces propriétés en font des outils de choix pour réaliser des réactions de synthèse, dans des conditions particulièrement compatibles avec la préservation de l'environnement (milieux aqueux, pH non extrêmes, températures peu élevées). L'utilisation de plus en plus grande de matières premières renouvelables, donc d'origine biologique, pour favoriser des conditions de développement durable ne pourra qu'accroître les exemples de mise en oeuvre de biocatalyseurs. De plus, les outils de la biologie moléculaire, combinés à ceux de la biologie structurale et de la modélisation in silico, permettent aujourd'hui non seulement de diversifier les sources de nouvelles enzymes et d'en améliorer extraordinairement l'efficacité et la stabilité, mais également de concevoir des biocatalyseurs totalement originaux, capables de réaliser de nouvelles réactions.
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Enzymes are able to compensate their lack of genericity by their extraordinary selectivity and even enantioselectivity or regioselectivity. Due to these properties, they are valuable tools in order to carry out synthesis reactions under conditions which are particularly compatible with the preservation of the environment (aqueous medium, non-extreme pH, low temperatures). The increasing usage of renewable raw materials thus of biologic origin in order to foster sustainable development conditions will certainly increase the cases of implementation of biocatalysts. Furthermore, the molecular biology tools combined with structural biology and in silico modeling tools currently allow not only for the diversification of the sources of new enzymes and a massive improvement of their efficiency and stability, but also the creation of completely original biocatalysts which are able to carry out new reactions.
Auteur(s)
-
Didier COMBES : Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse
-
Pierre MONSAN : Professeur à l'Institut national des sciences appliquées de Toulouse - École nationale supérieure des mines de Paris - Institut universitaire de France
INTRODUCTION
Les enzymes savent compenser leur manque de généricité par leur extraordinaire sélectivité, voire énantiosélectivité et régiosélectivité, qui en font des outils de choix pour réaliser des réactions de synthèse dans des conditions particulièrement compatibles avec la préservation de l'environnement (milieux aqueux, pH non extrêmes, températures peu élevées). L'utilisation de plus en plus grande de matières premières renouvelables, donc d'origine biologique, pour favoriser des conditions de développement durable ne pourra qu'accroître les exemples de mise en œuvre de biocatalyseurs. De plus, les outils de la biologie moléculaire, combinés à ceux de la biologie structurale et de la modélisation « in silico », permettent aujourd'hui non seulement de diversifier les sources de nouvelles enzymes et d'en améliorer extraordinairement l'efficacité et la stabilité, mais également de concevoir des biocatalyseurs totalement originaux, capables de réaliser de nouvelles réactions.
Il est très difficile de donner une date exacte de la découverte des enzymes. Une activité hors d'une cellule vivante a été observée en 1783 lorsque Spallanzani nota que la viande était « liquéfiée » par le suc gastrique des faucons.
D'autres observations similaires ont été faites par la suite, mais la première découverte d'une enzyme est en général créditée à Payen et Persoz qui, en 1833 ont traité un extrait aqueux de malt avec de l'éthanol et ainsi précipité une substance labile à la chaleur, qui initie l'hydrolyse de l'amidon. Ils ont appelé cette fraction « diastase ». Aujourd'hui, on sait que la diastase était une préparation impure d'amylase.
Le mot enzyme, « dans la levure » en grec, apparaît en 1878 : Kühne le propose pour faire la distinction entre les « ferments organisés » (le micro-organisme entier) ou « inorganisés » (excrétés par les micro-organismes).
C'est en 1897 que Bertrand observa que quelques enzymes nécessitaient des facteurs dialysables pour avoir de l'activité catalytique : ces substances ont été appelées coenzymes.
À partir du début du 20e siècle, de nombreux essais sont faits pour purifier les enzymes et décrire leur activité catalytique en termes mathématiques précis.
En 1902, Henri a suggéré qu'un complexe enzyme-substrat était un intermédiaire obligatoire dans la réaction catalytique. Il donne également une équation mathématique qui prend en compte l'effet de la concentration du substrat sur la vitesse de réaction.
L'effet du pH sur l'activité enzymatique a été mis en évidence par Sorensen en 1909 et c'est en 1913 que Michaelis et Menten redécouvrent l'équation d'Henri. Cette équation est basée sur des principes simples d'équilibre chimique.
Le fait que les enzymes sont des protéines n'a été accepté que vers la fin des années 1920.
Enfin, c'est en 1965 que Monod, Wyman et Changeux présentent un modèle cinétique pour les enzymes allostériques (enzymes de régulation qui donnent des courbes de vitesses sigmoïdes et non hyperboliques).
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Applications industrielles des enzymes
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3. Cinétique hétérogène
3.1 Méthodes d'immobilisation des enzymes
Dès 1916, Nelson et Griffith ont constaté que l'invertase, qui catalyse l'hydrolyse du saccharose en glucose et fructose, conservait son activité lorsqu'elle était adsorbée sur du charbon actif ou de l'hydroxyde d'aluminium. Les travaux concernant l'immobilisation d'enzymes ne se sont cependant réellement développés qu'à partir du moment où ces biocatalyseurs sont devenus effectivement disponibles à l'échelle industrielle. En effet, l'immobilisation d'une enzyme permet soit son utilisation dans un réacteur continu, soit sa récupération et sa réutilisation. Il est ainsi possible d'améliorer de manière très significative l'économie d'un procédé enzymatique, d'autant plus que le coût de l'enzyme est élevé. Ce bénéfice est très souvent augmenté par le fait que l'immobilisation se traduit par une augmentation très significative de la stabilité de l'enzyme, en raison de la préservation de la structure tridimensionnelle active. Cela est particulièrement le cas pour les protéases, car le phénomène de « cannibalisme » est évité. Il faut également rappeler que dans les systèmes vivants ou dans la nature, les enzymes n'agissent pratiquement qu'à l'état immobilisé, par exemple sur la surface des structures membranaires d'une cellule ou d'un organite cellulaire, ou adsorbées sur les composés argileux et humiques dans les sols. L'immobilisation d'une enzyme sur un support de nature connue permet alors de déterminer l'effet du micro-environnement sur son activité catalytique. Il est ainsi possible de mieux comprendre le fonctionnement in vivo, ce que ne permet pas une étude du comportement cinétique en solution homogène.
L'immobilisation d'enzymes, que de nombreuses personnes redécouvrent notamment grâce au développement des nanotechnologies, a fait l'objet, depuis la fin des années soixante, de très nombreux travaux. Des milliers de publications et de brevets sont disponibles dans ce domaine, et il est, de ce fait, impossible de prétendre être exhaustif. Peu de méthodes cependant sont suffisamment simples et peu coûteuses pour franchir la barrière du passage au stade industriel. La section « biocatalyse appliquée (ESAB) » de la Fédération européenne de biotechnologie a édité, sous la plume de Peter Halling, des recommandations pour la caractérisation des biocatalyseurs immobilisés.
Les méthodes d'immobilisation d'enzymes...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PRICE (N.C.), STEVENS (L.) - Fundamentals of enzymology. - Oxford University Press, Oxford (1989).
-
(2) - SMITH (G.M.) - The nature of enzymes, in Biotechnology, a Comprehensive Treatise. - 2e édn., sous la direction de REHM (H.-J.) et REED (G.), vol. 9, Springer-Verlag, Weinheim, Allemagne (1995).
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(3) - HENRISSAT (B.) - A classification of glycosyl hydrolases based on amino-acid sequence similarities. - Biochem. J., 280, p. 309-316 (1991).
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(4) - COUTINHO (P.M.), HENRISSAT (B.) - Carbohydrate-active enzymes : an integrated database approach. - In Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering, GILBERT (H.J.), DAVIES (G.), HENRISSAT (B.) et SVENSSON (B.) eds., The Royal Society of Chemistry, p. 3-12, Cambridge (1999).
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(5) - TERWISSCHA VAN SCHELTINGA (A.), ARMAND (S.), KALK (K.H.), ISOGAI (A.), HENRISSAT (B.), DIJKSTRA (B.W.) - Stereochemistry of chitin hydrolysis by a plant chitinase/lysozyme and x-ray structure of a complex with allosamidin. Evidence for substrate assisted catalysis. - Biochemistry, 34, p. 15619-15623 (1995).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Nomenclature des enzymes http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/
Classification CAZy (Carbohydrate Active enZymes) http://www.cazy.org/
Système d'information sur les enzymes http://www.brenda-enzymes.org/index.php4
HAUT DE PAGE
Les enzymes alimentaires http://europa.eu/scadplus/leg/fr/lvb/l21036.htm
HAUT DE PAGE3 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
Association des producteurs et formulateurs d'enzymes : AMFEP http://www.amfep.org/
HAUT DE PAGE
NOVOZYMES A/S http://www.novozymes.com/
DANISCO-GENENCOR http://www.genencor.com/
BASF ...
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