Les enzymes (polymères d’acides aminés de haut poids moléculaire) sont des protéines biologiquement actives présentes dans tous les organismes vivants. Les enzymes sont les catalyseurs du monde vivant qui permettent à tous les  organismes de se reproduire, de croître et finalement de vivre. Les micro-organismes ( bactéries, levures, champignons filamenteux) sont aujourd’hui largement utilisés comme usines cellulaires pour produire ces enzymes à l’échelle industrielle. Chaque micro-organisme comporte plusieurs milliers d’enzymes différentes correspondant à des transformations très spécifiques.

Que sont-elles ?

Les enzymes sont des catalyseurs répondant aux critères du développement durable, de très grande efficacité, dont il a été prouvé qu’ils sont très compétitifs lorsqu’ils sont appliqués pour synthétiser des produits chimiques.

Les enzymes sont des chaînes polymériques linéaires d’acides aminés (de 100 à plusieurs milliers). Il existe 20 acides aminés naturels différents, ce qui conduit à un nombre quasi infini de combinaisons (20100 pour une protéine de 100 acides aminés!).

La succession des acides aminés décrivant une protéine est appelée séquence et en constitue la structure primaire.

Les parties des protéines ont des conformations structurelles distinctes appelées structures secondaires, qui sont réalisées grâce aux liaisons hydrogène. Les deux principaux types de structures secondaires sont obtenues sous forme d’hélice (α) ou de feuillet (ß).

La forme tridimensionnelle globale d’une protéine (on parle de protéine globulaire) définie la structure tertiaire. La protéine va se plier et se tordre afin d’atteindre une stabilité maximale ou un état énergétique le plus bas possible. La conformation du site actif des enzymes n’est atteinte qu’ avec cette structure tertiaire. Une modification d’un seul acide aminé peut avoir des conséquences surprenante sur la structure tertiaire de la protéine et, par conséquent, sur la performance des enzymes (positive ou négative!) .

Comment ça marche ?

Les enzymes catalysent les réactions chimiques et biochimiques :

  • Le substrat fonctionne avec l’enzyme à l’instar de la notion « clé et serrure » : les enzymes sont très spécifiques et ne peuvent souvent catalyser que des réactions bien spécifiques.
  • Le substrat (ou les substrats) s’insère dans le site actif de l’enzyme .
  • La structure tertiaire de l’enzyme se modifie lors de la liaison du substrat.
  • La réaction commence, les chaînes d’acides aminés latérales du site actif jouent alors le rôle de catalyseurs.
  • Le substrat est transformé en produit.
  • Le produit est libéré de l’enzyme. L’enzyme est alors régénérée (ce qui signifie qu’elle revient à son état conformationnel initial et est prête pour commencer une autre réaction).

Quand la réaction s’arrête-t-elle ? Lorsque les réactifs (le produit et le substrat) atteignent ce que l’on appelle un « l’équilibre » ou lorsque l’enzyme devient inactive

Les avantages d’une enzyme

Les enzymes peuvent avoir des activités catalytiques dans des conditions très variables (température, pH, pression…), ou même performer dans des solvants organiques purs.

En tant que catalyseurs, elles améliorent l’efficacité et la rentabilité des synthèses chimiques ou biochimiques. En particulier, les enzymes sont spécifiques (régio et stéréosélectivité) et se révèlent très compétitives lorsqu’elles sont utilisées pour synthétiser des molécules complexes ou chirales.

Plusieurs techniques sont disponibles pour optimiser les performances des enzymes :

  • A travers la biologie moléculaire et l’ingénierie des protéines, pour améliorer et adapter les activités catalytiques des enzymes ou concevoir des réactions non naturelles.
  • En les formulant (séchage, immobilisation…) pour augmenter leur stabilité et rendre leurs utilisations industrielles plus faciles et plus économiques.

Enfin, les enzymes sont biodégradables et sont utilisées dans des conditions opératoires très douces. Ces raisons font que leur utilisation permet de respecter  pleinement les principes de la chimie verte et que les enzymes sont souvent sélectionnées pour remplacer les catalyseurs organométalliques. Elles sont couramment utilisées pour produire :

  • des building block ou des synthons (molécules de base, acides aminés, acides organiques…)
  • Dans les arômes et parfums
  • Pour les principes actifs pharmaceutiques (APIs)…