Biodégradation de polymères synthétiques à l'aide d'enzymes

Biodegradation of synthetic polymers with the use of enzymes

• Auteur / Autrice : Agata RACZYńSKA
• Direction : Isabelle Andre, Artur Góra
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....) en cotutelle avec Politechnika Śląska / Silesian University of Technology
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)

Mots clés

Mots clés libres

Enzymes

Biodégradation

Polymères synthétiques

Conception enzymatique

Simulations de dynamique moléculaire

In silico

Enzymes

Biodegradation

Synthetic polymers

Enzyme design

Molecular dynamics simulations

In silico

Résumé

Les plastiques formés par des polymères synadre de la thèse de doctorat, une revue de la littérature a été réalisée en termes d'enzymes capables de biodégradation des polyuréthanes (PUR), polystyrène (PS) et polyéthylène (PE). Des travaux ont été effectués sur la préparation d'une revue sur la biodégradation du PUR et des simulations de dynamique moléculaire (MD) de quatre enzymes sélectionnées pour la biodégradation du PUR dans l'eau avec des ions calcium. La revue en préparation seront de nature conceptuelle. Les enzymes connues dans la littérature et capables de biodégrader le PUR seront décrites, ainsi que les éléments de la structure du PUR et la présence de liaisons pouvant être rompues par catalyse enzymatique. Des modifications d'enzymes qui pourraient améliorer l'efficacité de liaison des polymères à des enzymes sélectionnées seront également proposées. Dans le cadre de la mise en œuvre, une analyse in silico d'enzymes sélectionnées pour la biodégradation du PUR est en cours. Les enzymes utilisées dans la recherche sont : la cutinase de compost de branche de feuille (LCC) et la coupe partielle de Thermobifida fusca-2.KW3 (TfCut2). Les structures des enzymes mentionnées ont été trouvées et collectées à partir de la Protein Data Bank (PDB id : 4eb0 et 4cg1, respectivement). De plus, l'analyse inclut les enzymes de l'organisme Thermomonospora curvata Tcur1278 et Tcur0390, dont les structures ont été préparées à l'aide de techniques de modélisation homologues. Dans les structures cristallographiques des enzymes homologues, des ions calcium ou magnésium positifs sont souvent présents à la surface. Ions ceux-ci sont susceptibles de stabiliser la structure enzymatique. Afin d'étudier l'effet de la liaison des ions métalliques sur la surface, ces sites ont été désignés et étudiés. Des simulations MD de 50 ns ont été préparées dans de l'eau avec des ions calcium positifs afin de vérifier les sites de liaison aux métaux dans les cutinases sélectionnées. Afin d'étudier la liaison des polyuréthanes dans le site de liaison des cutinases LCC et TfCut2, des études de docking moléculaire ont été réalisées avec Rosetta 3.13. Comme modèle PUR, l'unité répétitive Impranil DLN a été choisie. Les meilleurs complexes ancrés de cutinase avec Impranil ont ensuite été utilisés pour effectuer des simulations MD de 50 ns en 5 répétitions et exécuter des calculs MMGBSA. Sur la base des résultats de l'énergie de liaison libre, des mutations de l'enzyme TfCut2 ont été proposées pour améliorer l'activité de l'enzyme et la spécificité du substrat.thétiques sont des matériaux durables qui possèdent de nombreuses caractéristiques souhaitables, mais leur haute résistance à la biodégradabilité, autrefois considérée comme un avantage, est aujourd'hui l'une des principales causes des problèmes environnementaux dans le monde. Chaque année, en raison d'un recyclage insuffisant des plastiques, des millions de tonnes de déchets s'accumulent dans les milieux terrestres et aquatiques, exerçant un effet néfaste sur eux. Les micro et nanoparticules de plastiques, formées à la suite de processus d'érosion physique, constituent une menace nouvelle et jusqu'alors inconnue pour la santé humaine et animale. Des méthodes efficaces de dégradation de ces polymères synthétiques sont nécessaires. Une méthode alternative et respectueuse de l'environnement de dégradation des plastiques est la biocatalyse enzymatique. Il est connu que certains micro-organismes peuvent coloniser la surface des plastiques et sont capables de la dégrader lentement, cependant, cela ne s'applique qu'aux plastiques sélectionnés, et les enzymes et mécanismes du processus d'hydrolyse et / ou d'oxydation des polymères synthétiques ne sont pas bien compris. Le but du projet proposé est de trouver et d'apprendre des enzymes capables de se lier à des oligomères courts de polymères synthétiques. Les polymères synthétiques, qui ont été sélectionnés comme sujets de cette recherche, sont des plastiques couramment utilisés: polyuréthane (PUR), polystyrène (PS) et polyéthylène (PE). Les connaissances acquises seront utilisées pour reconcevoir les enzymes sélectionnées pour augmenter sa stabilité, son affinité et son activité, et s'il est possible d'étendre sa sélectivité de substrat. Des techniques modernes in silico seront appliquées au projet, qui comprendra des simulations de dynamique moléculaire, docking moléculaire, l'analyse des interactions protéine-ligand et la conception d'enzymes informatiques. On suppose qu'à la suite du projet, en utilisant des techniques in silico, il sera possible de se renseigner sur les aspects moléculaires responsables de la reconnaissance et de la liaison des chaînes polymères. L'identification des acides aminés clés dans ce processus permettra d'optimiser la surface de la protéine chargée de reconnaître le substrat afin d'augmenter l'activité et de modifier la spécificité du substrat des enzymes capables de dégrader les polymères synthétiques. Les résultats du travail de calcul seront également vérifiés expérimentalement.

Plastics formed by synthetic polymers are durable materials that possess many desirable features, but their high resistance to biodegradability, once considered an advantage, is now one of the main causes of environmental problems in the world. Every year, due to inadequate recycling of plastics, millions of tons of waste accumulate in terrestrial and aquatic environments, exerting a damaging effect on them. The micro and nanoparticles of plastics, formed as a result of physical erosion processes, pose a new and previously unknown threat to human and animal health. Effective methods of degradation of these synthetic polymers are needed. An alternative and environmentally friendly method of degradation of plastics is enzymatic biocatalysis. It is known that some microorganisms can colonize the surface of plastics and are able to slowly degrade it, however, this applies only to selected plastics, and the enzymes and mechanisms of the process of hydrolysis and/or oxidation of synthetic polymers are not well understood. The aim of the proposed project is to find and learn about enzymes capable of binding short oligomers of synthetic polymers. Synthetic polymers, that were selected as subjects of this research are commonly used plastics: polyurethane (PUR), polystyrene (PS) and polyethylene (PE). The gained knowledge will be used to redesign the selected enzymes to increase its stability, affinity and activity, and if it is possible to expand its substrate selectivity. Modern in silico techniques will be applied in the project, which will include molecular dynamics simulations, molecular docking, protein-ligand interaction analysis and computational enzyme design. It is assumed that as a result of the project, using in silico techniques, it will be possible to learn about the molecular aspects responsible for recognizing and binding polymer chains. Identification of key amino acids in this process will allow to optimize the surface of the protein responsible for recognizing the substrate in order to increase the activity and modify the substrate specificity of enzymes capable of degrading synthetic polymers. The results of the computational work will also be experimentally verified.