Projet ANR-10-CD2I-0010 – POLYTERP : Polyterpènes par conversion enzymatique de l'isoprène
Programme : Chimie Durable - Industries - Innovation (CD2I)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Frédéric PERUCH (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION  AQUITAINE LIMOUSIN)
Partenaires : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques; Unité Sciences du Bois et des Biopolymères; Institut national de la recherche agronomique; LES DERIVES RESINIQUES ET TERPENIQUES; MANUF FRANC PNEUMATIQ MICHELIN
Montant : 645547.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Polyterpènes par conversion enzymatique de l’isoprèneSynthèse enzymatique de terpènes et polymères
Synthèse in-vitro de « caoutchouc naturel »Parmi les quatre familles principales de composés naturels produits par les plantes et les animaux, les terpènes constituent la famille la plus grande et la plus diverse de composés hydrocarbonés fonctionnels allant de molécules en C5, tel que les hémiterpènes, aux polyisoprènes de très fortes masses molaires, comme le caoutchouc naturel. Ils sont obtenus in vivo en présence d’enzymes spécifiques à partir d’isopentényl pyrophosphate (IPP) mais leur synthèse in vitro reste limitée en raison de la très faible disponibilité et stabilité de l’IPP. Ce projet propose donc des synthèses in vitro à partir de substrats abondants, en particulier l’isoprène, en utilisant des enzymes qui devrait transformer l’isoprène pour permettre de reproduire le cycle catalytique présent dans la nature.
Production bactérienne, synthèse in-vitro et études physico-chimiquesAfin de pouvoir atteindre nos objectifs, des compétences allant de la biologie à la chimie en passant par des outils de physico-chimie ont été nécessaires. Dans un premier temps, des outils de biologie moléculaire nous ont permis de produire les différentes enzymes (et protéines) utilisées au cours de ce projet par voie bactérienne (E. coli) après extraction des gènes des plantes correspondantes. Des outils de biochimie et de chimie ont ensuite été nécessaires pour les synthèses in vitro. Enfin, des outils de physico-chimie ont été utilisés pour caractériser les produits issus des synthèses mais aussi lors d’études sur les interactions entre les différents constituants du caoutchouc naturel.
Résumé de la soumission : Parmi les quatre familles principales de composés naturels produits par les plantes et les animaux, les terpènes constituent la famille la plus grande et la plus diverse de composés hydrocarbonés fonctionnels allant de molécules en C5, tel que les hémiterpènes, aux polyisoprènes de très fortes masses molaires, comme le caoutchouc naturel. Ils sont obtenus in vivo en présence d’enzymes spécifiques à partir d’un précurseur commun C5, l’isopentenyl pyrophosphate (IPP). Bien que la biosynthèse in vitro de nombreux terpènes ait été décrite, cette stratégie reste limitée à des études de laboratoire en raison de la très faible disponibilité et stabilité de l’IPP. Nous avons découvert récemment que l’isoprène pouvait être reconnu par des enzymes et utilisé comme substrat initial à la place de l’IPP pour produire des isoprénoïdes. En particulier, il a été montré que l’addition d’isoprène à une fraction de latex frais d’Hevea brasiliensis contenant de la cis-prenyltransferase active conduit à une production complémentaire de polyisoprène 1,4-cis avec une structure proche de celle du caoutchouc naturel.Dans ce projet nous souhaitons poursuivre dans cette voie pour produire différents terpènes. Les mécanismes élémentaires conduisant à la formation de caoutchouc naturel à partir d’isoprène seront tout d’abord étudiés. A côté de la possibilité d’améliorer significativement la biosynthèse du caoutchouc naturel, cette stratégie sera appliquée à la préparation d’autres terpénoïdes d’intérêt économique. Dans cet objectif des expériences complémentaires seront réalisées en utilisant de l’isoprène marqué, en présence de particules de caoutchouc frais (actif) ainsi que d’enzymes spécifiques de la biosynthèse de terpènes (isopentényl pyrophosphate/diméthylallyl pyrophosphate isomerase, prenyl transferase,…). Les systèmes enzymatiques seront obtenus d’une part à partir d’extraits végétaux  et d’autre part par clonage.Nous considérons que l’utilisation d’isoprène, un composé très disponible à partir des hydrocarbures et de la biomasse, de surcroit facile à manipuler, à la place de l’IPP ouvrira des perspectives extrêmement intéressantes pour la production et la valorisation de terpénoïdes et de produits dérivés. Cette nouvelle voie de synthèse devrait permettre d’accroitre la productivité des plantes produisant du caoutchouc naturel ainsi que le développement industriel de la production de terpénoïdes d’intérêt à partir de plates-formes microbiennes.
Résultats : Les objectifs initiaux de ce projet n’ont pas pu être tous remplis. Par exemple, il n’a pas été possible de transformer in-vitro l’isoprène en IPP. Certains objectifs ont dû être abandonnés (production bactériennes de terpènes d’intérêt) alors que des études non prévues initialement ont conduits à des développements très intéressants (meilleure compréhension des interactions entre protéines et lipides contenus dans le caoutchouc naturel). Ces résultats ont pu être obtenus grâce à la mise en place de nouvelles collaborations qui ont débouchées sur de nouveaux projets actuellement en cours de réalisation.
Perspectives : -
Publications et brevets : A l’heure actuelle, ce projet a abouti à la publication de 6 articles dans des journaux scientifiques internationaux de rang élevé (Biochimie, PLoS One, BBA, Journal of Chromatography A) et 1 chapitre de livre. D’autres sont encore en cours de rédaction. Ces travaux ont également été présentés dans 4 congrès internationaux et 4 congrès nationaux.