Qu'est-ce qu'un enzyme? Types d'enzymes La science - Comment les enzymes réagissent-ils? Biotechnologie et les enzymes Enzymes dérivés de la biotechnologie et utilisés dans l'industrie des pâtes et papiers Enzyme dérivés de la biotechnologie et les textiles Enzymes dérivés de la biotechnologie et les biocarburants Domaines actuels de recherche Développement durable Bibliographie

Qu'est-ce qu'un enzyme?

Les enzymes sont des protéines qui accélèrent les réactions biochimiques sans être consommées ou être altérées au cours du processus. Ils se trouvent partout dans la nature, dans notre corps, dans l'environnement et dans toutes les choses vivantes. Sans les enzymes, la vie ne serait pas possible. Les enzymes accélèrent les réactions chimiques et biochimiques et ce processus s'appelle la catalyse. On appelle substrats les substances sur lesquelles les enzymes agissent comme catalyseur et chaque enzyme s'adapte et agit seulement sur un ensemble spécifique de substrats (modèle clé-serrure).

Types d'enzymes

Il y a tellement d'enzymes qu'il serait impossible de tous les nommer. En fait, les scientifiques découvrent encore de nombreux enzymes, ou essayent de comprendre pleinement leur structure et leurs propriétés. D'autre part, de nombreux autres enzymes ont été étudiés avec succès et appliqués aux utilisations industrielles et commerciales. Quelques types d'enzymes fondamentaux sont brièvement décrits ci-dessous :

Type	Fonction de l'enzyme
Cellulase	Catalyse la cellulose, une fibre que l'on trouve dans les constituants membranaires des cellules de toutes les plantes et de tous les arbres. La cellulose est la matière première de base utilisée pour la fabrication de produits tels que le papier, le coton et autres textiles
Hémicellulase	Catalyse l'hémicellulose, un autre sucre provenant de végétaux qui n'est pas aussi complexe que la cellulose et est plus facile à catalyser
Xylanase	Catalyse le xylane, un sucre gommeux présent dans les constituants membranaires des cellules des plantes et des arbres. Ce type d'enzyme est principalement utilisé dans l'industrie du bois et des pâtes et papiers
Amylase	Catalyse les empois et autres glucides en sucres fondamentaux
Protéase	Catalyse les protéines
Lipases	Catalyse les graisses

La science - Comment les enzymes réagissent-ils?

En l'absence d'enzymes, les réactions chimiques se produisent seulement lorsque les molécules entrent en collision tout en étant proprement alignées. Puisque les molécules se butent les unes aux autres au hasard, les réactions chimiques sont essentiellement dues aux impondérables. Ceci entraîne parfois des réactions qui se produisent très lentement, ou des réactions qui ne se produisent pas du tout.

Les enzymes agissent comme des machines moléculaires minuscules pour s'assurer que les molécules entrent en contact entr'elles et réagissent. Comme une clé correspond à une serrure, les molécules chimiques s'ajustent dans des structures ressemblant à des poches situées sur un enzyme. Ces poches tiennent les molécules en position, ce qui leur permettra de réagir entr'elles, s'assurant qu'elles sont assez proches les unes des autres et alignées correctement pour qu'une réaction chimique se produise. De cette façon, les enzymes accélèrent les réactions.

Les enzymes ne sont pas modifiés durant la réaction. Lorsque la réaction est complète, les enzymes libèrent le produit ou les produits et sont prêtes à rassembler plus de molécules et à catalyser plus de réactions.

Biotechnologie et les enzymes

La biotechnologie peut fournir une source inépuisable et pure d'enzymes comme solution de remplacement aux durs produits chimiques traditionnellement utilisés dans l'industrie pour accélérer les réactions chimiques. On trouve des enzymes dans les microorganismes d'origine naturelle tels que les bactéries, les champignons et les levures, microorganismes qui peuvent être ou non génétiquement modifiés. De grandes quantités d'enzymes sont souvent nécessaires pour la fabrication de produits et les industries ont recours à la multiplication, grâce à un processus appelé fermentation. Lorsque l'on a plus besoin des enzymes ou des microorganismes utilisés pour les créer, ils sont détruits par la chaleur ou par des produits organiques ou inorganiques sécuritaires.

Enzymes dérivés de la biotechnologie et utilisés dans l'industrie des pâtes et papiers

Des enzymes ont été utilisés dans l'industrie des pâtes et papiers pour adoucir les fibres ligneuses et pour améliorer l'évacuation des eaux. Ils offrent des solutions de rechange au blanchiment chimique.

Méthode biologique de réduction en pâte - Le papier est fabriqué à partir de fibres de cellulose, qui doivent être séparées à partir d'une fibre dure du bois appelée la lignine. Le procédé systématique de séparation de la cellulose de la lignine et d'autres composants du bois est connu comme méthode de réduction en pâte. C'est un long processus, nécessitant beaucoup d'énergie et un procédé mécanique du bois ou le traitement du bois par des produits chimiques durs. La méthode biologique de réduction en pâte utilise des enzymes (cellulase et xylanase) produites par les champignons qui dégradent la lignine pour traiter préalablement le bois et décomposer les fibres de lignine. L'élimination de la lignine avant de réduire le bois en pâte économise du temps et de l'énergie, et diminue les grandes quantités de produits chimiques utilisés.

Évacuation des eaux - Les enzymes peuvent également améliorer les évacuations d'eau au cours de la réduction du bois en pâte, un processus qui ralentit souvent la production de papier. Lorsque les fibres fines de lignine sont décomposées par des enzymes, moins d'eau est absorbée, réduisant ainsi l'évacuation des eaux, diminuant l'énergie nécessaire pour sécher le papier et produisant de ce fait un écoulement d'eau plus propre.

Blanchiment additionnel - Les fibres de lignine qui restent dans la pulpe de bois sont colorées et doivent être blanchies, habituellement par des composés chlorés, sous hautes pressions. Comme alternative, des enzymes peuvent être utilisés pour éliminer les fibres fines extérieures, réduisant ainsi le procédé de blanchiment ou en l'éliminant tout à fait.

Enzyme dérivés de la biotechnologie et les textiles

Des enzymes sont utilisés pour traiter et modifier les fibres, en particulier durant la transformation des textiles et par la suite pour leur entretien. Par exemple, des enzymes appelés catalases sont utilisés pour traiter les fibres de coton et pour les préparer au processus de teinture. Certains enzymes bactériens sont utilisés pour séparer la tige dure de lin de la fibre de lin utilisées dans les textiles. En catalysant les fibres extérieures, de nombreux enzymes, y compris certains cellulases et xylanases, sont utilisés pour finir les tissus, pour donner aux jeans l'effet de délavage à la pierre ou pour aider le tannage des cuirs. Un enzyme de recombinaison appelé laccase, produit par certains champignons, peut également être utilisé pour traiter les tissus et pour même catalyser la synthèse de certaines fibres synthétiques. Des enzymes sont également incorporés aux détergents à lessive domestique pour aider à éliminer la saleté, pour nettoyer plus efficacement les vêtements et pour empêcher le ternissement des couleurs des tissus.

Des enzymes sont fréquemment utilisés dans les détergents à lessive. Sans eux, des températures très élevées et un remuage mécanique seraient exigés pour nettoyer efficacement les vêtements et autres textiles. Les principaux types d'enzymes utilisés dans les détergents sont brièvement décrits ci-dessous :

Type d'enzyme	Exemple de l'origine	Brève description
Protéase	Bacillus licheniformis B. amyloliquefaciens	Catalyse les impuretés à base de protéine. Peut résister à l'oxydation par le biais de l'ingénierie des protéines
Amylase	Bacillus licheniformis	Catalyse les impuretés à base d'empois. Peut résister à l'oxydation par le biais de l'ingénierie des protéines
Lipase	Aspergillus oryzae	Enzyme qui catalyse l'hydrolyse des lipides, c'est-à-dire des matières grasses. La plupart ne sont pas suffisamment stables dans les machines à laver pour être très utiles. De meilleurs enzymes sont développés selon les techniques de criblage et de modification génétique
Autres	Divers	Les exemples incluent : les lipoxidases et les oxydases glucosiques, qui produisent le peroxyde d'hydrogène. Les cellulases, qui catalysent les fibres de surface pour empêcher le ternissement des couleurs et le peluchage

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Enzymes dérivés de la biotechnologie et les biocarburants

Des enzymes peuvent être utilisés pour produire des carburants à partir des sources renouvelables de la biomasse. De tels enzymes incluent les cellulases qui saccharifient les fibres de la cellulose des matières de base telles que le maïs, en sucres. Ces sucres sont ensuite fermentés par des micro-organismes pour produire de l'éthanol. Un nouveau processus intitulé saccharification simultanée et fermentation a considérablement amélioré l'efficacité de la production d'éthanol. Dans ce nouveau processus, des enzymes (cellulase) et des micro-organismes de fermentation sont regroupés en un mélange de réaction unique pour produire de l'éthanol en une seule étape, plutôt que de produire des sucres à partir de la cellulose et ensuite de les faire fermenter pour produire séparément de l'éthanol.

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Domaines actuels de recherche

Les progrès en science et technologie ont permis aux chercheurs d'améliorer des enzymes par le biais de modifications apportés aux micro-organismes producteurs d'enzymes, ou par des changements directs aux enzymes eux-mêmes.

Génie génétique et technologie de l'ADN recombinant - En utilisant la technologie de l'ADN recombinant, des micro-organismes peuvent être génétiquement modifiés pour produire une enzyme recherché dans des conditions spécifiques. Ceci se fait grâce à la technologie de l'ADN recombinant, où de petits morceaux circulaires d'ADN, connus sous le nom de plasmides, sont utilisés pour insérer des gènes producteurs d'enzymes dans les génomes d'organismes qui possèdent un autre caractère souhaitable, tel que la capacité de se développer sur des nutriants peu coûteux. Donc, l'enzyme et le caractère original seront exprimés en un simple micro-organisme recombinant.

Ingénierie des protéines - Tous les enzymes sont des protéines, qui sont de grandes molécules formées à partir d'unités de base appelées des acides aminés, ficelés ensemble comme des perles sur un collier. Pour former des enzymes fonctionnelles, de longues chaînes d'acides aminés doivent être pliées correctement. Certains enzymes sont seulement composés d'une chaîne, alors que d'autres sont constitués de plusieurs chaînes qui s'ajustent ensemble. Les scientifiques utilisent la technologie pour étudier comment les protéines sont formées, comment elles se plient, et comment elles fonctionnent. En étudiant la relation entre la structure d'une protéine et comment elle fonctionne, ils développent des méthodes destinées à améliorer et à modifier les enzymes. Les protéines peuvent être modifiées en changeant un ou plusieurs acides aminés, et/ou en changeant la façon dont les chaînes d'acide aminé se plient et s'adaptent ensemble.

Développement durable

Les enzymes sont une solution de rechange viable à l'utilisation dans l'industrie de produits chimiques durs. Parce que les enzymes fonctionnent dans des conditions modérées, telles que des températures tempérées et un pH neutre, ils réduisent la consommation d'énergie en éliminant la nécessité de maintenir des conditions extrêmes, telles que l'exigent de nombreuses réactions chimiquement catalysées. La réduction de la consommation d'énergie entraîne une diminution des émissions de gaz à effet de serre des centrales énergétiques. Les enzymes réduisent également la consommation d'eau et la production de déchets chimiques pendant les processus de fabrication. Puisque les enzymes réagissent à des situations spécifiques et réduisent au minimum la production de sous-produits, ils présentent des risques minimes aux humains, à la faune et à l'environnement. Les enzymes sont également économiquement et écologiquement idéals parce qu'ils ne présentent aucun risque et ne produisent très peu ou aucun déchet; et plutôt que d'être éliminé, le matériel enzymatique peut être traité et utilisé comme engrais pour les récoltes des agriculteurs.

Bibliographie

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