Soutenance de thèse de Faustine LORQUIN

Ce travail concerne l’amélioration de la protection solaire et propose deux parties, (i) l’élaboration d’une formulation simple et (ii) la synthèse d’une mélanine de substitution, pour un concept éco-participatif, original et complémentaire. Une formulation (huile dans l’eau) contenant seulement six ingrédients et deux filtres organiques autorisés et sélectionnés, a été développée. Sur la base de leur photostabilité et caractéristiques physico-chimiques, l'absence d'impact sur la santé et les écosystèmes, le BEMT (couvrant la gamme UVA/B) et le DHHB (UVA) à une concentration totale de 12% (p/p) ont été incorporés dans la formule mais apportant une protection limitée. Contrairement aux études rapportées, une protection totale (SPF de 50) a été obtenue par addition de lignine sulfatée (LiS) à 5% en présence des deux filtres, et assurant la stabilité de l'émulsion. La LiS est un polymère largement disponible, très soluble dans l'eau, non (photo)cytotoxique, piège les radicaux libres, et son poids moléculaire et sa dispersion élevés. Après avoir délimité les plages de concentration, des méthodologies expérimentales et de surfaces de réponse par un modèle mathématique cubique ont été validées en prenant en compte la valeur du SPF avant et après irradiation. Les concentrations minimisées en BEMT, DHHB et LiS débouchent sur deux formules stables, SPF30 et SPF50, contenant respectivement 9 et 12% de filtres, et 5% de LiS chacune. De l'effet boosteur observé, les interactions LiS-filtres suggèrent (a) des phénomènes d'agrégation J décrit comme des empilages pi-pi; et qui correspondraient à des interactions électrostatiques, (b) une structure micellaire de la LiS qui encapsuleraient en partie les filtres, et (c) que l’effet dépend aussi de l'adsorption à l'interface solide-liquide de la peau ou de la plaque de poly(méthylméthacrylate lors des mesures du SPF. La deuxième partie concerne la pyomélanine, une allomélanine issue de l'oxydation de l'acide homogentisique (HGA) dans la voie de dégradation aérobie de la L-tyrosine. Les données sur sa biosynthèse et son rôle ont d’abord été rassemblées (revue): si la formation de l’HGA par la 4-hydroxyphenylpyruvate-dioxygénase est bien informée, elle ne l’est pas en ce qui concerne la voie de la 4-hydroxyphenylacetate-1-hydroxylase (4-HPAH-1); la polymérisation, la structure, les propriétés et les applications possibles du polymère sont documentées, son implication dans l'alcaptonurie remise en question. Un procédé de production de pyomélanine est devenu nécessaire, les quantités produites par les microorganismes restant faibles. Trois procédures ont alors été optimisées et comparées : une autooxydation du HGA-Mn2+ (PyoCHEM, rendement 0,317 g/g de substrat), une culture bactérienne induite d’Halomonas titanicae par la voie de la 4-HPAH-1 (PyoBACT, 0,55 g/L), et une polymérisation par une laccase recombinante donnant le rendement le plus élevé (PyoENZ, 1,25 g/g de substrat) avec tous les critères pour la conception d’un prototype. Les trois structures chimiques caractérisées par RMN (CP-MAS) du 13C et FTIR montrent des liaisons C-C entre les cycles aromatiques, les liaisons C-O-C (éther) sont absentes, des configurations C3-C6 (liaisons bêta) et C4-C6 (liaisons alpha) ont alors été proposées. Ces analyses ont notamment mis en évidence une réaction de décarboxylation par la laccase ou la(les) oxydase(s) bactérienne(s), conduisant à la formation partielle d'alcool gentisique et de gentisaldéhyde incorporés dans le polymère. PyoENZ présente un poids moléculaire (Mw) de 5700 g/mol, est hyperthermostable, non cytotoxique même après forte irradiation, piège les ROS engendrés par des kératinocytes irradiés, et son activité antioxydante et réductrice de Fe3+ élevée. Disposant dorénavant de quantités raisonnables, PyoENZ peut servir pour des applications en conditions extrêmes, dans le domaine lié à l’énergie, en plus de la protection de la peau en cosmétologie et de celle des matériaux.

This work concerns the improvement of solar protection and proposes two parts, (i) the elaboration of a simple formulation and (ii) the synthesis of a substitute melanin, for an eco-design, original and complementary concept. A formulation (oil in water) containing only six ingredients and two authorized and selected organic filters has been developed. Based on their photostability, physicochemical properties, and the absence of impact on health and ecosystems, BEMT (covering the UVA/B range) and DHHB (UVA) were selected and incorporated in the formula at a total concentration of 12% (w/w), but providing limited protection. In contrast to reported studies, a total protection (SPF of 50) was obtained with 5% lignosulfonate (LiS) in the presence of both filters, ensuring the stability of the emulsion. LiS is a highly water-soluble and widely available polymer, non-(photo)cytotoxic, free radical scavenger, with a high molecular weight and dispersion. After delineating the concentration ranges, experimental and surface response methodologies using a cubic mathematical model were validated taking into account the SPF value before and after irradiation. The minimized concentrations of BEMT, DHHB and LiS result in two stable formulas, SPF30 and SPF50, containing 9 and 12% filters, and 5% LiS each. From the observed booster effect, LiS-filter interactions are discussed, suggesting (a) J aggregation phenomena described as pi-pi; stacking and which would correspond to electrostatic interactions, (b) a micellar structure of LiS that would partially encapsulate the filters, and (c) that the effect also depends on adsorption at the solid-liquid interface of the skin or poly(methyl methacrylate) plate during SPF measurements. The second part concerns pyomelanin, a microbial allomelanin resulting from the oxidation of homogentisic acid (HGA) in the aerobic degradation pathway of L-tyrosine. The data on its biosynthesis and its role were first collected (reviewed): if the formation of HGA by 4-hydroxyphenylpyruvate-dioxygenase is well informed, it is not so for the 4-hydroxyphenylacetate-1-hydroxylase (4-HPAH-1) pathway; the polymerization, structure, properties and possible applications of the polymer are documented, its involvement in alkaptonuria questioned. A process for the production of pyomelanin became necessary, the quantities produced by cultivated microorganisms remaining low. Three procedures were then optimized and compared: autoxidation of HGA-Mn2+ (PyoCHEM, yield 0.317 g/g substrate), a bacterial induced-culture of Halomonas titanicae through the 4-HPAH-1 pathway (PyoBACT, 0.55 g/L), and polymerization by a recombinant laccase giving the highest yield (PyoENZ, 1.25 g/g substrate) with all the criteria for the design of a prototype. The three chemical structures characterized by 13C NMR (CP-MAS) and FTIR analyses showed C-C bonds between the aromatic rings, C-O-C (ether) bonds were absent, C3-C6 (bêta bindings) and C4-C6 (alpha bindings) configurations then proposed. These analyses revealed in particular a decarboxylation reaction by laccase or bacterial oxidase(s), leading to the partial formation of gentisyl alcohol and gentisaldehyde incorporated in the polymer. PyoENZ has a molecular weight (Mw) of 5,700 g/mol, is hyperthermostable, non-cytotoxic even after strong irradiation, traps ROS generated by irradiated keratinocytes, and has high antioxidant and Fe3+-reducing activity. Now available in reasonable quantities, PyoENZ can be used for applications in extreme conditions, in the field related to energy, in addition to the protection of the skin in cosmetology and that of materials.