TECMI-4D - Techniques avancées de microscopie pour l'imagerie 4D de la déconstruction de la biomasse lignocellulosique.

PLa transformation de la biomasse lignocellulosique (BL) pour l'obtention de produits chimiques, de materiaux et de bio-carburants a travers la mise en œuvre de bio-raffineries est en plein developpement depuis quelques annees. En effet, cette ressource qui peut etre issue de residus agricoles, forestiers ou de cultures dediees est consideree comme un moyen de contribuer a limiter notre dependance vis-a-vis du carbone fossile et donc de limiter les rejets de gaz a effet de serre, ce beneficie a la qualite de notre environnement et accroit notre autonomie energetique. De plus, la BL rentre moins en competition avec les ressources agricoles dediees a l'alimentation, du moins au niveau de l'usage des plantes. La difficulte dans la valorisation de cette biomasse reside dans sa complexite chimique et physique. Les polymeres majoritaires d'interet qui la constituent (cellulose, hemicellulose, lignine) sont en effet tres varies au niveau de leur composition et forment un reseau tridimensionnel a differentes echelles dont le maillage limite la transformation. L'utilisation d'agents biologiques comme les enzymes est aujourd'hui consideree comme essentielle, puisque ce sont des catalyseurs specifiques et verts qui agissent dans des conditions douces, ce qui diminue la consommation d'energie et le traitement d'effluents. Mais la resistance a la degradation des polysaccharides des plantes, phenomene que l'on nomme plus communement la recalcitrance, necessite d'effectuer un pre-traitement physico-chimique de la BL pour faciliter l'accessibilite, la progression et l'action des enzymes dans la matrice lignocellulosique. Le principal challenge est donc d'optimiser le ratio efficacite/cout des pretraitements et des enzymes pour deconstruire les differents composants de la BL en produits d'interet (polymeres et monomeres) pour la chimie, les materiaux et l'energie. L'action des enzymes est essentiellement limitee a deux niveaux : des contraintes physiques d'accessibilite au substrat et des contraintes biochimiques liees a des phenomenes d'interactions specifiques ou non qui les rendent inactives. Le fait de pouvoir comprendre la dynamique de ces phenomenes in situ est donc essentiel afin d'optimiser la catalyse. Avec les recents progres notamment des outils de microscopie, il est desormais possible de suivre a une echelle microscopique l'evolution d'architectures 3D en fonction du temps (imagerie 4D). Le projet TECMI-4D vise a mettre au point et appliquer les recents developpements de microscopie et les appliquer a des enzymes d'interet lors de leur action sur des biomasses lignocellulosiques, afin d'obtenir des informations sur la dynamique de ces systemes et les parametres qui modulent leur evolution. Notre projet se deroulera en 3 grandes etapes. Tout d'abord, differents echantillons de biomasse d'interet industriel seront selectionnes puis pre-traites, afin de disposer d'un panel d'echantillons contrastes. L'expertise de notre laboratoire permettra de caracteriser finement ces biomasses au niveau de leur composition chimique, et de leur propension a la saccharification par un cocktail enzymatique. L'evolution de la structure de ces memes echantillons au cours de la saccharification pourra ensuite etre suivie a deux echelles complementaires : i) en microscopie confocale (echelle µm), ou les modifications de la structure 3D des echantillons pourront etre suivies au cours de l'hydrolyse, afin de reconstituer les changements morphologiques grâce a des mesures de porosite et d'accessibilite et a l'imagerie tridimensionnelle; ii) en microscopie a force atomique (echelle nm), ou la topologie de surface des echantillons pourra etre suivie ainsi que la topochimie grâce a l'utilisation de sondes specifiques. Enfin, l'ensemble des informations obtenues servira a alimenter un modele conceptuel de la dynamique des substrats lignocellulosiques afin de determiner qualitativement et quantitativement les facteurs les plus essentiels, et proposer des pistes precises pour l'amelioration des enzymes et l'optimisation des pre-traitements.