Équipes de recherche

Biopolymères lignocellulosiques : des assemblages pariétaux aux synthons pour la chimie verte

APSYNTH 11 membres 1 publication

L’équipe Apsynth étudie la formation des lignines dans les parois végétales et leur réactivité au cours des procédés de transformation de la biomasse lignocellulosique.
ADAPTATION ET MÉTABOLISME BIOTECH Biomasse & paroi cellulaire
Grâce à sa connaissance de la variabilité structurale des lignines et des mécanismes moléculaires impliqués dans la conversion des phénols végétaux, l’équipe occupe une position stratégique dans des projets internationaux visant la conception de nouveaux ingrédients bio-sourcés.

Question biologique
Les lignines sont des polymères phénoliques qui présentent de nombreuses fonctionnalités, ainsi qu’une grande versatilité basée sur leur réactivité et la possibilité d’incorporer une large gamme de structures phénoliques par le processus de polymérisation. Les recherches visant à comprendre et exploiter ces caractéristiques se sont intensifiées au niveau international cette dernière décennie, avec un effort particulier pour façonner les lignines dans les plantes et les utiliser comme source industrielle de molécules bio-sourcées pour la formulation de matériaux.

Dans ce contexte, l’équipe Apsynth explore la variabilité des lignines et ses potentialités d’usage, de la paroi végétale aux matériaux formulés finaux, en se focalisant plus particulièrement sur trois questions de recherche :
• Quelles sont les contributions respectives des facteurs physico-chimiques et génétiques dans le contrôle de la structure les lignines ?
Modèle structural de lignines
• Quelle est l’influence de la variabilité des lignines sur les propriétés des parois végétales et leur réactivité vis-à-vis des procédés industriels ?
Effet d’une modification génétique sur les propriétés de lignines d’Arabidopsis (Sibout et al 2016)
• Comment est-il possible de combiner la déconstruction des parois végétales et la conversion des lignines pour augmenter la production et le potentiel des molécules issues des lignines ?

Valorisation en cascade de co-produits de bioraffinerie (projet Zelcor)

Modèles, outils et méthodes
Pour traiter ces questions, l’équipe Apsynth met en œuvre une approche pluridisciplinaire
Approche multidisciplinaire de l’équipe Apsynth
Elle exploite trois types de matériels issus des plantes :
- Des pailles et du bois de plantes aux voies de biosynthèse des lignines contrôlées (Brachypodium distachyon, Arabidopsis thaliana, miscanthus, poplar)
- Des lignines isolées de plantes d’intérêt agronomique et industriel (miscanthus, maïs, peuplier, eucalyptus, …)
- Des produits industriels issus de la bioraffinerie des lignocelluloses (lignines techniques de procédés papetiers, co-produits lignocellulosiques de la production de bioéthanol)

L'étude structurale approfondie des lignines nécessite la complémentarité de méthodes analytiques (résonance magnétique nucléaire, chromatographie, spectrométrie de masse, analyse de produits de déconstruction sélective) développées dans l’équipe en lien avec la plateforme « Observatoire du végétal »

Preuve de la déméthylation de lignines apportée par GC-MS
Identification GC-MS d’esters d’acides p-coumaric pCA et férulique FA (Lapierre et al 2018)
Identification GC-MS d’esters d’acides p-coumaric pCA et férulique FA (Lapierre et al 2018)
De façon à faciliter l’élucidation des mécanismes et l’établissement de relations structure-propriété, des composés modèles de lignines présentant une structure contrôlée, et une pureté et solubilité élevées sont synthétisés par les chimistes organiciens de l’équipe et mise en œuvre in vitro.

Composé phénolique modèle antioxydant (syringarésinol)
 
La réactivité des lignines et leur modification sont appréhendées à l’aide de réactions de biocatalyse (mise en œuvre d’oxydo-réductases) et de réactions chimiques sélectives (mise en œuvre de liquides ioniques) satisfaisant certains principes de la chimie verte. D’autres voies, telles que la bioconversion (utilisation d’insectes, champignons et bactéries) sont explorées dans le cadre de partenariats.

Liquide ionique utilisé pour la dépolymérisation des lignines
Enjeux économiques et sociétaux
L’équipe Apsynth participe au transfert de connaissances en coordonnant des programmes de formation de niveau Master dans le domaine des biotechnologies et de la bioéconomie :
- Parcours ingénieur AgroParisTech « Bioraffinerie-Chimie verte » (équivalent M1-M2), incluant la dominante d’approfondissement « Biotech » (équivalent M2)
- Master Erasmus+ « Bioceb » (M1-M2) de l’Université Paris-Saclay http://www.bioceb.eu/

En prenant part à des partenariats de type public-privé (Institut Carnot 3BCar, Bio-Based Industry Joint-Undertaking, Programme ERA CoBioTech), l’équipe contribue également au transfert de connaissances scientifiques de la recherche académique vers l’industrie (secteurs des biotechnologies, de la chimie, des cosmétiques et des plastiques) ainsi qu’à la dissémination d’innovations techniques auprès des acteurs socio-économiques.

Dans le cadre du projet H2020 BBI JU Zelcor (« Zero-waste ligno-cellulosic biorefineries by integrated lignin valorisation »), l’équipe contribue à la mise en place de nouvelles chaines de valeur basées sur les résidus récalcitrants de bioraffinerie (lignines et humines). http://zelcor.eu/

L’équipe a l’expérience des collaborations avec les partenaires privés, notamment dans le cadre de contrat de thèse CIFRE, qui lui ont valu la production de 7 brevets acceptés.

Vulgarisation scientifique
Conférence expérimentale à l’ESPCI : https://www.canal-u.tv/video/espci_paristech/quand_le_bois_se_substitue_au_petrole.12678
Conférence à l’Académie d’agriculture : https://www.academie-agriculture.fr/actualites/academie/seance/academie/lignines

L’équipe Apsynth participe l’Action COST LignoCOST dédiée à la valorisation durable des lignines. https://lignocost.eu/
 
Biopolymères lignocellulosiques : des assemblages pariétaux aux synthons pour la chimie verte

Responsable :

Stéphanie Baumberger

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