Study and engineering of plastic-depolymerizing enzymes for the development of biodegradation and biorecycling processes

Etude et ingénierie d’enzymes de dépolymérisation de plastiques pour le développement de procédés de biodégradation et de biorecyclage L’Homme a créé une matière aux propriétés extraordinaires appelé « plastique ». Peu coûteux, légers, durables et pouvant adopter n'importe quelle forme, les plastiques ont aujourd’hui déferlé dans notre quotidien. Toutefois, ce matériau révolutionnaire est dorénavant surtout perçu comme un déchet ayant des conséquences désastreuses sur notre environnement. Pour un avenir durable, nous devons dès à présent nous concentrer sur les solutions qui s’offrent à nous. D’ailleurs, la nature nous chuchote des réponses en proposant des enzymes « mangeuses » de plastiques, exploitables dans des voies de valorisation innovantes des déchets plastiques.Une première thématique s’est concentrée sur le PET (Polyéthylène Téréphtalate), un plastique d’origine fossile communément utilisé dans les textiles et emballages. Via une dépolymérisation enzymatique, les déchets PET peuvent être déconstruits en monomères. Une fois purifiés et resynthétisés, ces monomères donneront un nouveau PET aux propriétés identiques au matériau vierge initial, pour un procédé de recyclage infini et en boucle fermée. Un second thème a porté sur la valorisation des déchets plastiques par biodégradation. Le PLA (acide polylactique) est un plastique biosourcé représentant une alternative crédible à ses homologues d'origine fossile. Pour accélérer sa biodégradation dans des conditions environnementales, une méthode efficace consiste à incorporer des enzymes de dépolymérisation au sein même du matériau. Pour ces deux thèmes, nous avons cherché à obtenir des enzymes hautement performantes et robustes, en vue d'une application industrielle de procédés de recyclage et de biodégradation.Dans cette étude, nous avons identifié, caractérisé et optimisé des enzymes de dépolymérisation de ces deux plastiques d’intérêt, le PET et le PLA. En s’appuyant notamment sur des analyses informatiques d'amarrage moléculaire, nous avons prédit, puis muté de manière rationnelle ou aléatoire les acides aminés interagissant avec le polymère. Au global, des milliers de mutants d’enzymes ont été générés, criblés et analysés à différentes échelles. Finalement, nous avons obtenu des variants d’enzymes montrant une activité et une thermostabilité augmentée par rapport aux enzymes sauvages de départ. Désormais, ces enzymes optimisées sont prêtes à être testées à une échelle pilote, sur la voie de leur mise en œuvre industrielle.Dans l'ensemble, notre travail propose plusieurs stratégies et méthodes pour l’ingénierie d’enzymes de dépolymérisant du PET et du PLA. Il ouvre notamment la voie vers une meilleure compréhension des déterminants moléculaires et structurels jouant un rôle dans les mécanismes de catalyse enzymatique de ces plastiques d'intérêt. Située à l'interface entre l'enzymologie et la plasturgie, cette étude interdisciplinaire contribuera fortement au développement de procédés intelligents, innovants et durables de bio-recyclage et de biodégradation.