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Localiser et suivre l’action des enzymes sans marquage

Comment la lumière du synchrotron permet de suivre la dégradation enzymatique de tiges de maïs ?

Vue du synchrotron Soleil, Saclay (91). Les électrons sont accélérés dans un anneau et produisent un rayonnement X intense. © Synchrotron Soleil

Les produits issus de la biomasse lignocellulosique (ex tiges de maïs) pourraient à terme, remplacer des dérivés du pétrole. Pour cela, des enzymes de dégradation des polymères rencontrées dans les parois des cellules (cellulose et hémicellulose) sont étudiées dont le rôle est d’obtenir des petites molécules utiles pour la chimie verte. Une des limites au développement de cette approche est que, de manière native, les plantes se dégradent mal. Pour mieux comprendre ces phénomènes, l’action des enzymes et les modifications de la plante qui en résultent ont été étudiées par imagerie en utilisant les particularités de la lumière au synchrotron SOLEIL en fluorescence (ligne DISCO) et en infrarouge (ligne SMIS).

Sur la ligne DISCO, les enzymes ont été localisées sans marquage grâce à l’autofluorescence des protéines dans l’UV profond (275 nm). La cellule microfluidique développée sur la ligne SMIS a permis de suivre par microspectrométrie infrarouge avec une résolution spatiale de 5 µm la cinétique de digestion de la cellulose et des hémicelloses sur une coupe de tige de maïs. L’étude a ainsi montré que les enzymes ne se liaient pas aux parois lignifiées qui n’étaient par conséquent pas dégradées. Pour les autres types cellulaires, une concentration de l’enzyme sur la paroi et une diminution dans le milieu environnant sont observées. Pour tous les types cellulaires, les hémicelluloses étaient dégradées avant la cellulose.

Cette approche est très prometteuse pour comparer les activités spécifiques des enzymes et optimiser la dégradation des différents types de biomasses végétales.

A gauche : vue aérienne du synchrotron SOLEIL ; à droite en haut : images en fluorescence dans l’UV profond d’une cinétique de dégradation de tige de maïs (image après 10 et 41 minutes de réaction), blanc = paroi + enzyme, bleu = paroi seule) ; à droite en bas : exemple de séries de spectres moyen infrarouge pour deux types cellulaires : à gauche se dégradant, à droite ne se dégradant pas.. © Inra
A gauche : vue aérienne du synchrotron SOLEIL ; à droite en haut : images en fluorescence dans l’UV profond d’une cinétique de dégradation de tige de maïs (image après 10 et 41 minutes de réaction), blanc = paroi + enzyme, bleu = paroi seule) ; à droite en bas : exemple de séries de spectres moyen infrarouge pour deux types cellulaires : à gauche se dégradant, à droite ne se dégradant pas. © Inra

Partenaires : ce travail a été réalisé par l’équipe PVPP de l’unité BIA (Inra Pays de la Loire), en collaboration avec le synchrotron SOLEIL (lignes DISCO et SMIS à Gif sur Yvette).

Publication associée : Devaux, M. F., Jamme, F., Andre, W., Bouchet, B., Alvarado, C., Durand, S., Robert, P., Saulnier, L., Bonnin, E., & Guillon, F. (2018). Synchrotron Time-Lapse Imaging of Lignocellulosic Biomass Hydrolysis: Tracking Enzyme Localization by Protein Autofluorescence and Biochemical Modification of Cell Walls by Microfluidic Infrared Microspectroscopy. Frontiers in Plant Science, 9, 16. http://doi.org/10.3389/fpls.2018.00200

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Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture
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Pays de la Loire