Les tensioactifs sont des produits chimiques largement utilisés dans le monde. Dans un contexte de développement durable, il est important de développer selon les principes de la chimie verte de nouvelles molécules amphiphiles issues de substances naturelles renouvelables. L'association d'un acide aminé ou d'un peptide et d'un composé à longue chaîne permet l'obtention de molécules ayant une activité de surface élevée. Nous avons étudié et développé de nouveaux mélanges de tensioactifs obtenus à partir de protéines de pois. Dans une première étape, les protéines sont hydrolysées par l'Alcalase et la Flavourzyme à 50°C, pH 7,5, durant 30 min, afin d'obtenir des peptides de 3 à 5 acides aminés en moyenne qui constituent la partie hydrophile des tensioactifs. Puis, dans l'eau, la partie lipophile en C12 est greffée sur les fonctions amines libres avec un taux de 83% par une acylation de Schotten-Baumann, préalablement mise au point sur des acides aminés modèles. La CMC des formulations anioniques obtenues atteint 75 mg/L avec une TS de 28,4 mN/m (en comparaison aux 240 mg/L et 39,1 mN/m pour le SDS) ce qui leur confère des propriétés moussantes et émulsifiantes comparables voir supérieures aux tensioactifs pétrochimiques commerciaux. Enfin, ces mélanges sont cationisés par estérification des fonctions carboxylates à l'aide du chlorure de glycidyltriméthylammonium augmentant ainsi leur potentiel zêta de +70 mV. Les formulations ont alors des CMC de 90 mg/L et des TS de 32 mN/m. Les deux nouvelles familles de tensioactifs naturels synthétisées présentent d'excellentes propriétés ce qui permet d'envisager leur utilisation comme une alternative « verte » dans de nombreux secteurs d'application. / The surfactants are chemical products widely used in the world. Within a context of sustainable development, it is important to develop, following the principles of green chemistry, new amphiphilic molecules from natural renewable materials. The association of an amino acid and a long chain compound allows obtaining molecules with a high surface activity. We studied and developed new mixtures of surfactants obtained from pea proteins. In a first step, proteins are hydrolyzed by Alcalase and Flavourzyme at 50°C, pH 7.5, during 30 min, to obtain peptides with an average of 3 to 5 amino acids that constitute the hydrophilic part of surfactants. Then, the lipophilic part with 12 carbons is grafted on the free amine functions with a rate of 83% by a Schotten-Baumann reaction, in water. This reaction was developed with amino acids as a model. The CMC of the anionic formulations obtained reaches 75 mg/L with a ST of 28,4 mN/m (in comparison to 240 mg/L and 39.1 mN/m for the SDS) that gives foaming and emulsifying properties comparable or even better than petrochemical commercial surfactants. Finally, these mixtures are cationized by esterification of carboxylate functions with the glycidyltrimethylammonium chloride thus increasing their zeta potential of +70 mV. The formulations have a CMC of 90 mg/L and a ST of 32 mN/m. Both synthesized new families of natural surfactants present excellent properties which permit to consider their use as a “green” alternative in numerous applications.

Approche multi-échelle pour l’étude de la réaction de N-acylation enzymatique d’acides aminés La réaction de N-acylation d’acides aminés ou de peptides permet l’obtention de dérivés de ces molécules présentant des propriétés bioactives et/ou techno-fonctionnelles, avec une biodisponibilité, une hydrophobie et une stabilité accrue. Les acides aminés acylés ont été largement décrits comme constituant une classe d'agents tensioactifs avec d'excellentes propriétés de surface, des activités biologiques intéressantes, un faible potentiel de toxicité et un faible impact environnemental. Actuellement réalisée de manière chimique à l’échelle industrielle, l’acylation de ces acides aminés ou peptides présente des contraintes en termes de sélectivité réactionnelle et d’innocuité vis-à-vis de l’environnement ainsi qu’en termes de coût de retraitement des effluents polluants. Une alternative à cette voie chimique est l’utilisation d’enzymes capables de catalyser ces réactions d’acylation. Dans la littérature, différents couples d’enzymes et de solvants ont déjà été décrits. Néanmoins, les performances réactionnelles de ces systèmes demeurent parfois limitées. L’objectif de cette thèse a donc été l’amélioration du procédé d’acylation par une approche à différentes échelles. À l’échelle moléculaire, une étude a été réalisée avec la lipase B de Candida antarctica (CALB). Une approche de modélisation moléculaire a été utilisée afin de mettre au point une méthodologie associant des simulations de docking et des calculs d’interaction permettant d’améliorer la compréhension et permettre la prédiction de la régiosélectivité de CALB lors de l’acylation de la lysine par différents acides gras. Des études ont également été conduites à l’échelle réactionnelle, notamment avec la recherche de nouveaux biocatalyseurs de type aminoacylases dans l’extrait brut de Streptomyces ambofaciens. La régiosélectivité et les performances de la réaction catalysée par ces enzymes ont été comparés à celles de CALB. Les résultats ont mis en évidence un potentiel très prometteur des aminoacylases de S. ambofaciens concernant la synthèse d’acide aminés/peptides acylés. En effet, en plus de leur aptitude à réaliser la réaction d’acylation en milieu aqueux, ces enzymes possèdent une régio-sélectivité qui diffère de celle de CALB. Cette régio-sélectivité orientée vers les groupements N-terminaux est un atout très peu décrit à ce jour, car elle permet d’acyler ces molécules sans modifier les chaînes latérales des acides aminés ou des peptides et donc leurs fonctionnalités. Dans la dernière partie de ces travaux, des études à l’échelle procédé ont été menées. Tout d’abord, l’immobilisation des aminoacylases sur des matériaux mésoporeux silicatés a été réalisée et différentes méthodes d’immobilisation ont pu être comparées. Cette étude a permis de proposer une méthode d’immobilisation des aminoacylases de S. ambofaciens par physisorption, permettant de conserver l’activité spécifique pendant au moins 3 cycles. Puis, dans une dernière partie, l’intensification de la réaction d’acylation en réacteur micro-ondes ou microstructurés a été abordée. Les expérimentations réalisées dans un réacteur chauffé par irradiation micro-onde ont montré que ce type de réacteur était adapté à la réaction d’acylation catalysé par CALB sous sa forme immobilisée commerciale (Novozym435®) en solvant organique, ce qui n’est pas le cas avec des aminoacylases de S. ambofaciens libres, en milieux aqueux. Pour cette réaction, d’autres méthodes d’intensification ont été envisagées, notamment en réacteur microstructuré de type microfluidique. L’efficacité du mélange étant primordiale notamment en milieu biphasique, celle-ci a pu être améliorée avec un taux de conversion supérieur dans ce réacteur comparativement à un réacteur classique agité mécaniquement / N-acylation of amino acids or peptides results in bioactive and/or functional molecules showing increased bioavailability, hydrophobicity and stability. Acylated amino acids have been broadly described as being a kind of surfactant with great surface chemistry properties, interesting biological activities, weak toxicity and low environmental impact. Acylation of amino acids or peptides is being performed chemically at industrial scale. It creates constraints in term of reaction selectivity, environmental safety and cost of polluted wastewater treatment. Enzymatic catalysis is an alternative to chemical acylation reaction. Several enzyme/solvent pairs have already been described in the literature. Their performance are however somewhat limited. The objective of this thesis work was thus to improve the capacity of acylation processes at different scales. At the molecular scale, a study was performed using Candida antarctica’s (CALB) lipase B. Molecular modeling was used to create a methodology coupling docking simulation and interaction calculus that would allow for a better understanding of CALB regioselectivity during lysine acylation by different fatty acids. Studies were also conducted at the reaction level, especially by searching for new aminoacylase-type of biocatalysts in Streptomyces ambofaciens raw extract. Regioselectivity and performance of these enzyme’s catalytic reactions were compared to those of CALB. Results brought into light a promising potential from S. ambofaciens’ aminoacylases in synthesizing acylated amino acids/peptides. Indeed, on top of their ability to catalyse acylation reaction in aqueous solution, these enzymes have a different regioselectivity compared to CALB’s. Regioselectivity targeting N-terminal groups is a rarely researched phenomenon allowing acylation to be performed without modifying amino acids or peptides lateral chains and hence their functionality. In the last part part of this work, studies at process scale were performed. Aminoacylase were first immobilized on mesoporous silicates and several immobilisation methods were compared. Using physisorption, a method for the immobilisation of S. ambofaciens’ aminoacylases was developed to reach a conserved specific activity during 3 cycles. Finally, intensification of acylation reaction was examined in microwave or microstructured reactors. First, an experimental set up was performed in an heated reactor using microwaves irradiation. This kind of reactor was demonstrated as being adapted to acylation reaction using a commercial immobilized form of CALB (Novozym435®) as catalyst in organic solvent. The microwave reactor was however not suited for free S. ambofaciens aminoacylase in aqueous solution. For that latter reaction, intensification had to be approached through other aspects of the process. Hydrodynamic appeared indeed as an important aspect for this reaction occurring in a biphasic medium composed of fatty acids and aqueous solution. A microstructured microfluidic reactor was hence tested. Conversion yield were increased with this system. This study demonstrated how mixing quality was an important factor for acylation reaction and could be a way to intensify the enzymatic process at larger scale

En raison de leur contribution à la virulence bactérienne, les lipoprotéines et les membres de la voie de biogenèse des lipoprotéines représentent des cibles prometteuses pour la recherche de nouveaux antibiotiques. À la suite de translocation à travers la membrane interne la future lipoprotéine ancrée dans la membrane par l’intermédiaire de son peptide signal, va subir en premier lieu l’addition de sn-1,2-diacylglyceryle sur la fonction sulfhydryle de la future cystéine N-terminale de la lipoprotéine mature. Cette modification est catalysée par Lgt (prolipoprotéin diacylglycérol transférase) avant même que le peptide signal de la lipoprotéine ne soit clivé par Lsp (lipoprotéine signal peptidase). L’action de la peptidase permet de libérer l’amine terminale de la cystéine qui pourra alors, chez les bactéries à Gram-négatif, être acylée par Lnt (lipoprotéin aminoacyl transférase). La présence d’un apolipoprotéine N-acyltransférase (Ppm2-Ms) impliquées dans la N-acylation de LppX a récemment été montrée chez M. smegmatis. Ppm2-Ms fait partie de l'opéron ppm dans laquelle ppm1, une synthase polyprénol-monophosphomannose, a été révélée essentielle dans la synthèse lipoglycans mais dont la fonction dans la biosynthèse des lipoprotéines est totalement inconnue. Afin de clarifier le rôle de l'opéron ppm dans la biosynthèse des lipoprotéines, nous avons étudié les modifications post-traductionnelles de deux modèles (lipoprotéines AmyE et LppX) dans les mutants Δppm1 et Δppm2 chez C. glutamicum.Nos résultats montrent que les deux lipoprotéines modèles sont ancrées dans la membrane et que leurs extrémités N-terminales sont N-acylés par Ppm2-Cg. Le peptide N-teminal acylé de LppX a été également modifié par des groupements d'hexose. Cette O-glycosylation est localisée dans le peptide N-terminal de LppX mais absente dans le mutant Δppm1. Tandis compromise en l'absence de Cg-PPM2, O-glycosylation LppX pourrait être rétabli lorsque Cg-PPM1, Cg-PPM2 ou l'homologue Mt-ppm1 de M. tuberculosis a été surexprimée. Ensemble, ces résultats montrent pour la première fois que Ppm1-Cg (Ppm synthase) et Ppm2-Cg (Lnt) fonctionnent dans une voie de biosynthèse commune dans laquelle la glycosylation et la N-acylation des lipoprotéines sont étroitement couplés / Due to their contribution to bacterial virulence, lipoproteins and members of the lipoprotein biogenesis pathway represent potent drug targets. Following translocation across the inner membrane, lipoprotein precursors are acylated by lipoprotein diacylglycerol transferase (Lgt), cleaved off their signal peptides by lipoprotein signal peptidase (Lsp) and, in Gram-negative bacteria, further triacylated by lipoprotein N-acyl transferase (Lnt). The existence of an active apolipoprotein N-acyltransferase (Ms-Ppm2) involved in the N-acylation of LppX was recently reported in M. smegmatis. Ms-Ppm2 is part of the ppm operon in which Ppm1, a polyprenol-monophosphomannose synthase, has been shown to be essential in lipoglycans synthesis but whose function in lipoprotein biosynthesis is completely unknown. In order to clarify the role of the ppm operon in lipoprotein biosynthesis, we investigated the post-translational modifications of two model lipoproteins (AmyE and LppX) in C. glutamicum ∆ppm1 and ∆ppm2 mutants. Our results show that both proteins are anchored into the membrane and that their N-termini are N-acylated by Cg-Ppm2. The acylated Ntermina peptide of LppX was also found to be modified by hexose moieties. This O-glycosylation is localized in the N-terminal peptide of LppX and disappeared in the ∆ppm1 mutant. While compromised in the absence of Cg-Ppm2, LppX Oglycosylation could be restored when Cg-Ppm1, Cg-Ppm2 or the homologous Mt-Ppm1 of M. tuberculosis was overexpressed. Together, these results show for the first time that Cg-Ppm1 (Ppm synthase) and Cg-Ppm2 (Lnt) operate in a common biosynthetic pathway in which lipoprotein N-acylation and glycosylation are tightly coupled.

Les céramides sont des lipides de la classe des sphingolipides issus de la N-acylation d’une base sphingoide par un acide gras. Ces lipides et leurs analogues suscitent un grand intérêt comme composants actifs dans les industries pharmaceutique et cosmétique. Parmi les biocatalyseurs capables de réaliser la synthèse de ce type de lipide, la lipase B de Candida antarctica semble être l’enzyme la plus adaptée à la production de « pseudo-céramides » à partir d’amino-polyols. Dans ce contexte, nous avons abordé l’étude de l’acylation de composés de type « amino-alcool »catalysée par la lipase B de Candida antarctica, en gardant à l'esprit une approche fondamentale afin d’élargir les connaissances actuelles sur ce sujet. La première partie de notre travail a ainsi traité de l’étude cinétique de l’acylation de composés monofonctionnels afin de déterminer les mécanismes réactionnels et l’énantio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica pour les réactions de N-acylation et de O-acylation. Les parties suivantes de notre travail ont porté sur une étude structure-réactivité du substrat accepteur d’acyle et sur l’étude de l’influence du solvant utilisé (solvant organique ou liquide ionique) afin de déterminer les facteurs clés influençant la chimio sélectivité et la régio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica lors de l’acylation de composés multifonctionnels de type « amino-alcool ». Finalement, à partir des connaissances acquises dans les différentes parties, nous avons développé et optimisé un procédé de synthèse enzymatique de « pseudo-céramides » (O,N-diacyl aminopropanediols) mis en oeuvre en réacteur continu à « lit fixe ». / Ceramides are lipids from the sphingolipide class derived from the N-acylation of a sphingoid base from a fatty acid. These lipids and their analogs are compounds of interest used as active components in pharmaceutical and cosmetic industries. Among biocatalysts able to synthesize this type of lipids, Candida antarctica lipase B appears to be the most appropriate enzyme for the production of "pseudo-ceramides" derived from amino-polyols. In this context, we have studied the acylation of amino-alcohol-like compounds catalyzed by Candida antarctica lipase B, keeping inmind a fundamental approach to expand the current knowledge on this subject. The first part of our work aimed to determine the reaction mechanisms and the enantio selectivity exhibited by Candida antarctica lipase B during O-acylation and N-acylation reactions, by conducting a kinetic study of mono functional compound acylation. In the following parts of our work, we performed a structurere activity study of the acyl acceptor substrate and evaluated the effect of the solvent used (organic solvent or ionic liquid) to determine the key factors influencing the chemo selectivity and the regio selectivity of the Candida antarctica lipase B-catalyzed acylation of polyfunctional amino alcohol compounds. Finally, starting from the knowledge acquired in the previous parts, we have developed and optimized an enzymatic process of “pseudo-ceramide” (O,N-diacylaminopropanediol) synthesis performed in a continuous packed-bed reactor.

Les céramides sont des lipides de la classe des sphingolipides issus de la N-acylation d'une base sphingoide par un acide gras. Ces lipides et leurs analogues suscitent un grand intérêt comme composants actifs dans les industries pharmaceutique et cosmétique. Parmi les biocatalyseurs capables de réaliser la synthèse de ce type de lipide, la lipase B de Candida antarctica semble être l'enzyme la plus adaptée à la production de " pseudo-céramides " à partir d'amino-polyols. Dans ce contexte, nous avons abordé l'étude de l'acylation de composés de type " amino-alcool "catalysée par la lipase B de Candida antarctica, en gardant à l'esprit une approche fondamentale afin d'élargir les connaissances actuelles sur ce sujet. La première partie de notre travail a ainsi traité de l'étude cinétique de l'acylation de composés monofonctionnels afin de déterminer les mécanismes réactionnels et l'énantio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica pour les réactions de N-acylation et de O-acylation. Les parties suivantes de notre travail ont porté sur une étude structure-réactivité du substrat accepteur d'acyle et sur l'étude de l'influence du solvant utilisé (solvant organique ou liquide ionique) afin de déterminer les facteurs clés influençant la chimio sélectivité et la régio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica lors de l'acylation de composés multifonctionnels de type " amino-alcool ". Finalement, à partir des connaissances acquises dans les différentes parties, nous avons développé et optimisé un procédé de synthèse enzymatique de " pseudo-céramides " (O,N-diacyl aminopropanediols) mis en oeuvre en réacteur continu à " lit fixe ".