Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé: Biochimie structurale
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Biocatalyse,Oxydases à radical cuivre,Aldéhydes,Arômes et parfums,Biotechnologie,Oxydoréductases
Keywords
Biocatalysis,Copper Radical Oxidases,Aldehydes,Flavors and fragrances,Biotechnology,Oxidoreductases
Titre de thèse
Découverte et étude de nouvelles oxydases fongiques à radical cuivre comme biocatalyseurs pour la production daldéhydes pour l'industrie des arômes et parfums
Discovery and study of novel fungal copper-radical oxidases as biocatalysts for the production of aldehydes for the flavors and fragrances industry
Date
Vendredi 10 Septembre 2021 à 14:00
Adresse
Polytech Marseille,
163 Avenue de Luminy, CP925
13288 Marseille
Salle de réunion
Jury
Directeur de these |
M. Jean-Guy BERRIN |
INRAE - UMR1163 |
Rapporteur |
Mme Emma MASTER |
University of Toronto |
Rapporteur |
M. Nicholas John TURNER |
University of Manchester |
Examinateur |
M. Mickaël LAFOND |
Aix-Marseille Université |
Examinateur |
Mme Caroline PAUL |
Delft University of Technology |
Examinateur |
M. Harry BRUMER |
University of British Columbia |
Examinateur |
Mme Fanny LAMBERT |
MANE V. FILS |
Examinateur |
Mme Marie-Thérèse GIUDICI-ORTICONI |
CNRS |
Résumé de la thèse
Le développement de procédés biotechnologiques durables comme alternatives aux procédés chimiques traditionnels est au cur des enjeux bioéconomique actuels. Le domaine des arômes et parfums cristallise la mutation de la demande vers des produits éco-responsables et/ou dorigine naturelle à des prix compétitifs. Les voies de synthèse chimique et dextraction de matières premières naturelles savèrent insuffisantes pour répondre à une telle problématique. La voie biotechnologique, en pleine expansion, se positionne comme lalternative la plus prometteuse, mais nécessite le développement et la maîtrise de nouveaux procédés biocatalytiques. Dans ce contexte, les alcools oxydases à radical cuivre (CRO-AlcOx) fongiques, découvertes récemment, présentent un fort potentiel biotechnologique de par leur capacité à oxyder une large gamme dalcools primaires en aldéhydes. Les aldéhydes sont des molécules clés utilisées pour leurs arômes et inclues dans la composition de nombreux parfums. Les travaux de cette thèse avaient pour objectif détudier les CRO-AlcOx et dévaluer leur potentiel biocatalytique pour la conversion dalcools en aldéhydes odorants. La première partie de cette thèse, par létude critique de létat de lart, dresse un bilan des biocatalyseurs oxydatifs existants et discute des problématiques et possibles solutions pour favoriser le développement industriel de cette voie biotechnologique. Sur le plan expérimental, des études ont été menées à plusieurs niveaux pour appréhender le potentiel biocatalytique des CRO-AlcOx. Lutilisation de souches fongiques naturelles a dabord été étudiée au travers danalyses sécrétomiques. Les résultats obtenus ont permis de caractériser deux nouvelles CRO-AlcOx et détablir la voie recombinante comme la plus prometteuse. Dans un deuxième temps, une CRO-AlcOx a été évaluée pour loxydation dalcools primaires à longues chaines. Des études enzymologiques couplées à de la modélisation dynamique ont notamment révélé la capacité sur-oxydative de cette enzyme et suggèrent une inhibition médiée par certains aldéhydes hydratés. En dernier lieu, une CRO-AlcOx a été testée dans des perspectives plus appliquées au travers de : (i) la montée en échelle de la conversion dalcools à longues chaines, et (ii) une cascade bi-enzymatique aboutissant à la production énantiosélective dun intermédiaire clé dans la synthèse du menthol. Lensemble de ce travail dessine les contours de lutilisation de CRO-AlcOx en tant que biocatalyseurs et ouvre la voie à des études complémentaires pour favoriser lutilisation de ces enzymes dans un contexte industriel.
Thesis resume
The development of sustainable biotechnological processes is at the heart of current bioeconomic stakes. The society shift toward the production of more sustainable and/or natural products at competitive prices is particularly affecting the flavors and fragrances industry. Chemical synthesis and extraction of natural raw materials are both insufficient to meet this demand. Biotechnology represents the most promising alternative but requires the development of new biocatalytic pathways. In this context, the recently discovered fungal copper radical alcohol oxidases (CRO-AlcOx) present a strong biotechnological potential owing to their ability to oxidize a wide range of primary alcohols into aldehydes. Aldehydes are key flavor compounds and are found in the composition of a vast number of perfumes. The objective of this thesis was to study CRO-AlcOx and assess their biocatalytic potential for the conversion of alcohols into odorant aldehydes. The first part of this thesis critically reviews the state of the art of available oxidative biocatalysts, the challenges and possible solutions to foster the industrial development of this biotechnological route. Experimental studies have been conducted at different levels to evaluate the biocatalytic potential of CRO-AlcOx. The use of natural fungal strains was first studied through secretomic analyses. The results obtained allowed the characterization of two new CRO-AlcOx and established the recombinant pathway as the most promising route. In a second step, the potential of a CRO-AlcOx was evaluated for the oxidation of long chain (fatty) primary alcohols. Enzymology studies coupled to dynamic modeling revealed the overoxidative activity of CRO-AlcOx and suggested enzyme inhibition by some hydrated aldehydes. Finally, a CRO-AlcOx was tested in applied settings through: (i) the scale-up of fatty alcohol conversion, and (ii) the development of a bi-enzymatic cascade to produce enantioselectively a key intermediate in the synthesis of menthol. Overall, this work outlines the great potential of CRO-AlcOx as biocatalysts and opens the way to complementary studies to implement these enzymes at industrial scale.