Les enzymes polysaccharolytiques en Algérie jouent un rôle crucial dans l’éco-bactériologie des zones humides classées Ramsar, comme le Lac Télamine et la Lagune du Macta. Cette étude analyse 35 souches bactériennes, leur résistance aux antibiotiques et leur potentiel enzymatique.
Généralités sur les enzymes microbiens polysaccharolytiques :
L’enzyme est une molécule biologique d’origine végétale, animale ou microbienne, Jusqu’au début des années 1970, on a considéré que les plantes et les animaux étaient les meilleures sources d’enzymes. Cependant, différents microorganismes ont été intensivement utilisés pour la biosynthèse des enzymes selon (Fogarty et al, 1980 ; Haq et al, 2002 ; Nigam et singh, 1995). C’est une protéine active qui permet la transformation d’une substance naturelle en une autre substance sont sensibles aux facteurs physico-chimiques (pH, T°, salinité, conductivité) sont inactives aux conditions extrêmes néanmoins elles supportent des T° légèrement supérieurs à celles tolérés par les bactéries selon la littérature scientifique.
Au cours de la croissance, les bactéries reconnaissent les molécules qui les entourent et produisent des enzymes spécifiques permettant de dégrader ces molécules c’est le cas par exemple des enzymes polysaccharolytiques amylolytiques cellulolytique et pectinolytique dégradant les polysaccharides (amidon, cellulose et pectine) selon la littérature scientifique.
L’immense majorité de ces enzymes microbiens est produite à partir de 25 espèces inclus 12 fongiques seulement environ 2% du monde microbiens qui ont été testé comme source d’enzymes selon (Chandrasekaran, 1997), d’autre part les enzymes produit par les bactéries reste rare mais très intéressant pour les différentes industries biotechnologiques selon l’ex auteur.
Les enzymes de dégradation des principaux polysaccharides :
Selon plusieurs auteurs et la littérature scientifique concernant l’enzymologie bactériènnes,l’avantage principal de ce type d’enzymes est la capacité d’hydrolyser les polysaccharides, constituants de la paroi cellulaire des tissus végétaux, comme la cellulose, les hémicelluloses et les pectines ainsi l’amidon, Cette biodégradation est essentiellement accomplie par des microorganismes. Ceux-ci ont développé des systèmes de dégradation très performants formés d’un grand nombre d’enzymes de spécificités différentes qui transforment les composés complexes à des produits simples les bactéries fabriquent des enzymes qui vont permettre une dégradation des macromolécules en les transformant à des molécules très simples pour satisfaire leur besoins en élément nutritifs indispensable à leur survie et
métabolisme dans ce processus de dégradation on distingue le rôle majeur de deux types d’enzymes :
- Les exo-enzymes : excrétés en dehors de la cellule bactérienne vont permettre une coupure de la grosse molécule en molécules plus petites capable de passer à travers la membrane bactérienne
- Les endo-enzymes qui restent à l’intérieur de la cellule bactérienne en transformant ces petites molécules pour les besoin énergétiques et nutritionnels de la bactérie
Une particularité unique pour les enzymes microbiens, ils sont relativement trop stables par à port aux enzymes issues des animaux et des plantes (Chandrasekaran, 1997).
Tous les micro-organismes sont capables de métaboliser plusieurs et différents composés y compris les sucres (polysaccharides) par production d’enzymes extracellulaires (Benimeli et al ,2003).
Les enzymes microbiens prouve une grand diversité dans les activités catalytiques économiquement peuvent être produites mieux en utilisant la fermentation submerger que les méthodes de cultures de surfaces (Chandrasekaran, 1997).
Ils sont majoritairement dérivés des microorganismes terrestres ou aquatique particulièrement les bactéries ou les moisissures (Chandrasekaran, 1997), comme les amylases extracellulaires qui ont été trouvées chez plusieurs bactéries (Srivastava et baruah, 1986).
L’utilisation de ces enzymes a été étendue à des secteurs variés, tels que les industries agroalimentaires, pharmaceutique, textile, de la brasserie, et des détergents (Kennedy, 1987).
Les enzymes microbiens tels les amylases, glucoamylases, cellulases sont largement utilisés dans de plusieurs industries (Chandrasekaran, 1997).
En général on peut distinguer trois principaux groupes d’enzymes polysaccharolytiques qui extraient leur nom à partir du substrat dégradé :
Les enzymes amylolytiques :
Tous les enzymes capables de dégrader l’amidon en monosaccharides sont désignés par ce nom les plus fréquents sont les alpha-amylases produites par un large spectre bactérien tel les Bacillus. Subtilus B. cereus et B. megaterium (Verma et al, 2011) ,ainsi les Clostridium (Ueki et al, 1991), Leuconostoc (Lewus et al 1992), Pseudomonas (Liu et al, 2011), Vibrio (Sivaramakrishnan et al, 2006) Aeromonas (Singh et al, 2000) Micrococcus (Samie et al, 2011), Streptococcus (Simpson et al, 1998), Staphylococcus (Wróblewska et al, 2011) Lactobacillus (Champ et al,1983) ………etc.
L’amidon et ses dérivés :
L’amidon est un polysaccharide d’origine végétale composé d’unités glucose C6H12O6 (Voir Figure 08).
Il est la principale substance glucidique de réserve des plantes supérieures. L’amidon représente une fraction pondérale importante des matières premières agricoles. On le trouve stocké dans les organes de réserve des végétaux tels que les céréales (30-70% de la matière sèche), les tubercules (60-90 %) et les légumineuses (25 à 50 %), l’amidon constitue la principale source d’énergie pour la vie animale et la moitié de l’amidon produit industriellement est destinée à l’alimentation humaine.
C’est un composé nutritionnel abondant, renouvelable, peu coûteux, qui trouve dans les aliments de multiples fonctions comme épaississant, gélifiant, liant sous sa forme d’empois d’amidon granulaire et comme matières sucrantes, liantes, support lorsqu’il est utilisé sous forme hydrolysé. L’amidon est également utilisé dans de nombreux secteurs industriels non- alimentaires : la production papetière, l’industrie pharmaceutique, cosmétique, textile etc. Il est devenu également ces dernières années une matière première intéressante pour la production de matières plastiques biobasées et biodégradables ainsi que pour la production de bioéthanol, qui est un carburant utilisé dans les moteurs à essence (Luc Wertz, 2011).
Composition et structure moléculaire :
L’amidon consiste en deux glucanes structurellement différents : l’amylose, polymère Linéaire (c.-à-d. non branché) et l’amylopectine, polymère fortement branché.
L’amylopectine est le constituant principal de la plupart des amidons (Luc Wertz, 2011).
La teneur en chacun des constituants est différente suivant l’origine de l’amidon (Tableau 4). Tableau 07 : Teneur en amylose et amylopectine des amidons de différentes sources botaniques (Luc Wertz, 2011).
| Tableau 07 : Teneur en amylose et amylopectine des amidons de différentes sources botaniques | ||
|---|---|---|
| Source botanique | Amylose (%) | Amylopectine (%) |
| Maïs | 28 | 72 |
| Pomme de terre | 21 | 79 |
| Blé | 28 | 72 |
| Maïs cireux (1) | 0 | 100 |
| Amylomaïs | 50-80 | 50-20 |
| Riz | 17 | 83 |
| Pois | 35 | 65 |
| Manioc | 17 | 83 |
La teneur en amylose varie entre 0 % (amidon de maïs cireux) et 70-80 % (amidon de pois ridé et maïs riche en amylose). Ces valeurs extrêmes sont obtenues pour des génotypes mutés, alors que la teneur en amylose des espèces sauvages telles que la pomme de terre, le blé et le pois lisse varie entre 18 et 35 %. L’amidon est constitué d’entités granulaires semi-cristallines qui résultent d’une organisation de ses deux constituants (Luc Wertz, 2011).
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Source : Figure 08 : Structure chimique de l’amidon (Luc Wertz, 2011)
L’amylose :
L’amylose est un polymère linéaire constitué de résidus Dglucopyranose liés par des
Liaisons alpha1, 4 (liaison avec l’oxygène glycosidiques en position axiale) (Voir Figure 09). Il est l’analogue alpha de la cellulose, qui, lui, est un polymère linéaire de résidus Dglucopyranose liés par des liaisons β-1,4 (liaison avec l’oxygène glucosidique en position équatoriale).
Cette seule différence dans la configuration de la liaison entre monomères est à l’origine de structures tridimensionnelles très différentes. La cellulose cristallise généralement sous la forme d’une simple (c.-à-d. à un brin) hélice avec deux résidus par tour (Correspondant à un ordre n de la plus grande symétrie de rotation = 2) tandis que l’amylose native cristallise sous la forme de double hélice.7 Ici aussi, différentes formes sont connues, qui diffèrent principalement par le contenu en eau des mailles unitaires, classiquement, les molécules d’amylose forment
des hélices gauches de 2,1 nm de pas avec 6 résidus par tour (n = 6).4, 8 Dans la double hélice, les deux brins ont une orientation parallèle (c.-à-d. avec leurs extrémités réductrices orientées dans la même direction) (Luc Wertz, 2011).
L’amylose native présente des degrés de polymérisation entre 500 et 6000 qui varient selon l’origine botanique de la molécule. Certaines chaînes d’amylose peuvent être faiblement ramifiées par des liaisons α 1,6, l’existence des chaînes linéaires de l’amylose ainsi que la flexibilité induite par les liaisons α 1,4 lui donne la capacité de complexer de nombreuses molécules hydrophobes telles que le butanol, des acides gras, l’iode moléculaire ou des tensioactifs.5 Lorsque ce type de molécule et de l’amylose sont mis en solution, il y a instantanément
un arrangement en hélice de la chaîne macromoléculaire créant une cavité hébergeant la molécule hydrophobe. En effet tous les hydroxyles équatoriaux des résidus glucose se trouvent à l’extérieur de l’hélice, créant ainsi, au sein de celle-ci, une cavité hydrophobe de 4,5 Ǻ de diamètre (Luc Wertz, 2011).
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Source : Figure 09: Structure chimique de l’amylose (Luc Wertz, 2011)
L’amylopectine
L’amylopectine est un polymère fortement branché constitué de résidus Dglucopyranose
liés par des liaisons α. Les liaisons glucosidiques sont 1,4 sauf aux points de branchement où elles sont 1,6 (Voir Figure 10). 5 à 6 % des liaisons glucosidiques sont α1, 6 (Luc Wertz, 2011).
Les masses moléculaires se situent entre 107 et 108 g/mol. Les degrés de polymérisation (DP) de l’amylose et de l’amylopectine pour certains amidons sont repris au Tableau 5.
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Source : Figure 10 : Structure chimique de l’amylopectine (Luc Wertz, 2011)
Tableau 08 : Degré de polymérisation de l’amylose et de l’amylopectine dans différents amidons (Luc Wertz, 2011).
| Tableau 08 : Degré de polymérisation de l’amylose et de l’amylopectine dans différents amidons | ||
|---|---|---|
| Céréale ou tubercule | Amylose | Amylopectine |
| Riz | 1100 | 13000 |
| Maïs | 990 | 7200 |
| Pomme de terre | 4920 | 9800 |
| Blé | 1180 | – |
| Amylomaïs | 690 | – |
Dans l’amylopectine, on distingue trois types de chaînes :
- des chaînes courtes (S, short ou A) de DP 12 à 20
- des chaînes longues (L, long ou B) de DP 30 à 45
- des chaînes de DP > 60 (chaînes C)
Les chaînes de DP > 60 sont beaucoup moins nombreuses que les deux autres. Elles portent l’unique extrémité réductrice de la molécule et les chaînes longues se greffent sur elles. Suivant l’origine botanique, le rapport chaînes longues L/chaînes courtes S varie (Luc Wertz, 2011).L’ensemble des chaînes courtes sous forme de double hélice reliées à une même chaîne longue forme un cluster.
80 à 90 % du nombre total des chaînes d’amylopectine sont impliquées dans des clusters, les autres chaînes assurant la liaison entre ces grappes. La cristallinité des grains d’amidon est essentiellement due aux molécules d’amylopectine organisées en lamelles cristallines (Luc Wertz, 2011).Dans le modèle de cluster, on a montré que dans le cas des amylopectine de maïs, chaque chaîne L porte 1,44 grappe constituée de 3,22 chaînes S.
De plus, chaque grappe est séparée de la suivante par en moyenne 22 glucoses. Le nombre de chaînes S est donc plus grand que celui des chaînes longues. Par conséquent, la capacité de l’amylopectine à complexer l’iode moléculaire est nettement moindre que celle de l’amylose (Luc Wertz, 2011).
Principaux acteurs sur le marché :
Les principaux fabricants d’amidon sont repris dans le Tableau 7.
Tableau 09 : Fabricants d’amidon et de produits à base d’amidon (Luc Wertz, 2011).
| Tableau 09 : Fabricants d’amidon et de produits à base d’amidon | ||
|---|---|---|
| Produit | Société | Marque |
| Produits à base d’amidon granulaire | Polychim (Italie) | Ecopolym |
| Archer Daniels Midland (Etats-Unis) | Polyclean | |
| Amylum (Italie) | Amyplast | |
| Produits à base d’amidon de pomme de terre | Rodenburg (Pays-Bas) | Solanyl |
| Roquette (France) | Cremalys, Pregeflo, Clearam, Nutriose | |
| Produit à base d’amidon déstructuré | National Starch (Etats-Unis) | Ecofram |
| Produit à base d’amidon thermoplastique | Avebe (Pays-Bas) | Paragon |
| Bioplastiques à base d’amidon de maïs | Novamont (Italie) | Mater-Bi |
Les différents types d’enzymes Amylolytiques :
Les enzymes amylolytiques sont capables d’hydrolyser l’amidon, amylose et l’amylopectine et ses produits de dégradation (dextrine, oligosaccharides). (Feillet ,2000), elles se différencient par leur aptitude à couper les liaisons glycosidiques alpha-(1-4) ou alpha-(1-6)
Par leur mode d’action au hasard à l’intérieur de la chaine d’unités glycosyles (endo-enzymes) ou à partir des extrémités non réductrices (exo-enzymes) et par les produits de fin de réaction selon les critères on distingue les alpha-amylases, les β-amylases, les pullulanases et les amyloglucosidases (Voir Tableau et Figure11) (Feillet ,2000).
Tableau10 : Propriétés général des enzymes amylolytique. (Feillet ,2000)
| Tableau10 : Propriétés général des enzymes amylolytique | |||
|---|---|---|---|
| Les enzymes | Liaisons glycosidiques hydrolysées | Modes d’actions(1) | Produits de fin de réaction |
| Alpha-amylases(2) | Alpha-(1,4) | endo | Glucose, maltose, oligosides |
| Β-amylases(2) | Alpha-(1,4) | exo | maltose, dextrines |
| Pullulanases | Alpha-(1,6) | endo | Chaines linéaires D’anydroglucose |
| Amyloglucosidases | Alpha-(1,4) et Alpha-(1,6) | exo | Glucose |
Alpha-amylase
Β-amylase
Hydrolyse au hasard des liaisons alpha1-4
1
2
3
Hydrolyse pas à pas de l’extérieur vers l’intérieur des liaisons alpha1-4 avec formation de maltose
Pullulanases
Hydrolyse des liaisons alpha1-6
Extrémité réductrice
2 3
1
Amyloglucosidases
Hydrolyse pas à pas de l’extérieur vers l’intérieur des liaisons alpha1-4 avec formation de glucose
Figure 11: Mécanisme d’action des enzymes amylolytiques (Feillet ,2000)
Les alpha-amylases (EC3.2.1.1) :
Sont des endoenzymes dont la masse moléculaire est comprise entre 50et 60KDa. Elles hydrolysent au hasard les liaisons alpha-(1,4) des chaines d’amylose et d’amylopectine de l’amidon à l’exception des liaisons terminales, en libérant quelques molécules de glucose, des oligosides de 2(maltose) à 7unités d’anhydro-glucose et des dextrins résultant de la résistance des liaisons alpha-(1,6) de l’amylopectine à l’hydrolyse ,le degré de polymérisation (DP)des polysaccharides résiduels est exprimé en dextrose équivalent (DE) 137 .L’amidon natif est beaucoup plus résistant que l’amidon endommagé ou gélatinisé ;l’amidon de pomme de terre est beaucoup plus que celui du blé ou de manioc (Feillet ,2000).
Découpant rapidement et en petit morceaux les chaines d’amylose et d’amylopectine, les alpha-amylases liquéfient l’amidon gélatinisé les empois d’amidon deviennent beaucoup plus fluides ce sont des enzymes liquéfiantes. (Feillet ,2000).
Les B-amylases (EC.3.2.1.2) :
Sont des exo-enzymes de masse moléculaire voisine de 60Kda. Elles hydrolysent les liaisons alpha-(1,4) des chaines d’amylose et d’amylopectine à partir de leur extrémités non réductrices en libérant du maltose (60% de l’amidon gélatinisé est transformé en maltose ; ce sont des enzymes saccharifiantes (Feillet ,2000).
Elles peuvent hydrolyser la totalité de l’amylose mais ne peuvent pas franchir les liaisons alpha-(1,6) de l’amylopectine, de sorte que 55 à 60% seulement des celle-ci sont dégradé. Elles n’hydrolysent pas l’amidon natif (Feillet ,2000).
Les pullulanases (EC.3.2.1.41) :
Coupent spécifiquement les liaisons alpha-(1,6) mais ne peuvent aller au-delà de la libération du maltose .Elles ont une action déramifiante et permettent au B-amylases de poursuivre leur activité les pullulanases uniquement produites par des microorganismes ne peuvent pas hydrolyser l’amidon natif car leur action ne débute qu’après rupture du polymère ; leur action est optimale quand le stade maltotriose est atteint (Feillet ,2000).
Les amyloglucosidases (EC3.2.1.3) :
Parfois dénommés glucoamylases, glucamylases ou Y-amylases, hydrolysent les liaisons alpha-(1,4) en libérant du glucose à partir des extrémités non réductrices de l’amylose et de l’amylopectine (Feillet ,2000),elles hydrolysent les liaisons alpha-(1,6), mais beaucoup plus lentement .Ce sont des exoenzymes qui hydrolysent rapidement les chaines langues et elles sont les seules à pouvoir transformer la totalité de l’amidon en glucose (Feillet ,2000).
Les souches productrices d’amylases :
Dans le monde de l’enzymologie microbienne on rencontre beaucoup de bactéries connues pour leur activité amylolytique parmi celles les plus productrice d’amylases on trouve Bacillus, (Verma et al, 2011), Clostridium (Ueki et al, 1991), Pseudomonas (Liu et al, 2011), Vibrio (Sivaramakrishnan et al, 2006).