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Retour Postdoctorants (PDOC)
Edition 2013


PoStaTic


Variabilité structurale et morphologique de l’amidon de pomme de terre et processus biologiques associés pour la production de bioplastique

Optimisation de l'amidon de pomme de terre pour la production de matériaux agrosourcés
L'amidon est une matière première renouvelable pouvant entrer dans la fabrication de matériaux tels que les plastiques. L'obtention de propriétés valorisables nécessite la plupart du temps de modifier l'amidon chimiquement après qu'il ait été extrait. Le coût de ces étapes et leur bilan carbone peuvent être améliorés en optimisant la structure et la morphologie de l'amidon in vivo.

Caractériser la variabilité naturelle de structure et de morphologie de l'amidon de pomme de terre à la recherche de variétés d'intérêt pour la production de matériaux.
La production de matériaux plastiques à base d'amidon en région Nord pas de Calais fait partie d'une approche de développement durable désormais concrétisée par la création de l'Institut Français des Matériaux agrosourcés (IFMAS), l'un des instituts de transition énergétique (ITE). Les étapes de modification des polymères après extraction peuvent toutefois se révéler couteuses et affecter le bilan carbone. Celles-ci pourraient être évitée ou limitées en optimisant les grains d'amidons in vivo (en utilisant des plantes adaptées pour produire un amidon de structure adéquate pour une transformation simple en plastiques). Le principal objectif de ce projet est d'identifier des variétés de pomme de terre accumulant ce type d'amidons et d'étudier les mécanismes moléculaires associés. Outre le rendement, les caractéristiques d'intérêt sont la morphologie des grains et la structure des polysaccharides car ceux-ci influencent directement la plastification et/ou conditionnent leur utilisation en mélange avec d'autres polymères.

Phénotypage d'une «core collection« de Solanum tuberosum et caractérisation de gènes cibles
La variabilité de structure et de morphologie de l'amidon a été estimée dans une collection de cultivars de Solanum tuberosum représentative de la diversité génétique pour l'espèce. Les grains d'amidon de pomme de terre sont parmi les plus grands observés dans la nature. La variabilité inter espèce pour la taille et la forme des grains ont été analysées à l'aide d'un granulomorphomètre après extraction et purification de l'amidon. La composition (contenus en amylose et amylopectine) et la structure des polyssacharides (distributions de longueurs de chaines) ont été déterminés respectivement par des tests enzymatiques et par électrophorèse capillaire après hydrolyse enzymatique et dérivatisation des produits. L'amidon contient également des groupements phosphates qui conditionnent certaines de ses propriétés physicochimiques. Nous avons développé une méthode pour déterminer les contenus et la répartition des phosphates en position C3 et C6 des résidus de glucose par électrophorèse capillaire. Par ailleurs, les protéines associées à l'amidon ont été caractérisées par spectrométrie de masse et certaines étudiées par western blot ou in vitro après leur expression hétérologue et purification par chromatographie d'affinité.

Résultats

Alors que les contenus en amylose varient peu au sein de la core collection, les profils de distribution de longueurs de chaines, la taille et la forme des grains d'amidon présentent des différences significatives entre cultivars. De plus, la méthode de dosage des phosphates de l'amidon que nous avons développée permet l'analyse rapide des amidons avec un niveau de sensibilité élevé. Ceci a permis d'analyser les variétés de la core collection et de montrer que les contenus en phosphates totaux ainsi que la proportion de phosphate en position C3 et C6 varient de manière significative entre variétés. L'étude en spectrométrie de masse des protéines associées au grain d'amidon a révélée qu'outre les protéines déjà identifiées, l'ensemble des familles d'enzymes du métabolisme de l'amidon s'associent physiquement avec la matrice polysaccharidique. De plus, nous avons identifié une série de protéines dont les fonctions sont encore inconnues.

Perspectives

Les protéines identifiées au cours de ce projet et dont la fonction demeure inconnue revêtent un intérêt particulier, à la fois pour mieux comprendre le métabolisme de l'amidon et sa régulation, ainsi que pour les potentialités d'amélioration variétale. Par ailleurs, l'ensemble des données phénotypiques obtenues et leur analyse statistique indiquent que la stœchiométrie des protéines associées à l'amidon et la répartition des phosphates impactent la structure et la morphologie des grains. Nos futurs travaux consisteront à élucider les fonctions des nouvelles protéines cibles et à comprendre les liens entre la stœchiométrie des protéines associées au grain d'amidon et son métabolisme.

Productions scientifiques et brevets

Verbeke J., Penverne C., D’Hulst C., Rolando C., Szydlowski N. (2016). Rapid and sensitive quantification of C3- and C6-phosphoesters in starch by fluorescence-assisted capillary electrophoresis. Carbohydrate polymers 152, 784-791.

Szydlowski N. Rapid and sensitive determination of starch phosphoesters by FACE. European Starch Round Table, Villeneuve d’Ascq, France, November 17 -18, 2016.

Szydlowski N. in vivo optimization of potato starch towards agro-based plastic production. Thematic session: public private partnership to speed-up industrialization. Plant based summit, Lille, France, April 2015.

Partenaires

MSAP Miniaturisation pour la synthèse, l'analyse et la Protéomique USR Lille1 / CNRS 3290

Aide de l'ANR 472 840 euros
Début et durée du projet scientifique mars 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

La production de matériaux plastiques agrosourcés présente trois avantages majeurs comparée à celle des polymères synthétiques : i. une émission moins importante de gaz à effet de serre, ii. l’utilisation de matières premières renouvelables, iii. ces matériaux sont potentiellement biodégradables. Le plastique à base d’amidon est largement utilisé car cette matière première est abondante, bon marché et représente, après dégradation, une source de carbone utilisable par la plupart des microorganismes. Il existe cependant certaines contraintes liées aux propriétés physico-chimiques et à la structure de l’amidon. Dans la plupart des cas, ce dernier doit être modifié chimiquement ou mélangé à des polymères synthétiques afin d’obtenir les caractéristiques requises. Le bilan carbone et les coûts liés à ces étapes post-extraction peuvent être améliorés en optimisant la matière première in vivo, notamment la taille des grains d’amidons utilisés et leur contenu en amylose (l’une des deux fractions de l’amidon).
Le projet PoStaTic s’intègre dans le programme de recherche de l’IFMAS (Institut Français des Matériaux AgroSourcés), financé dans le cadre du programme « Investissements d’Avenir », et dont l’objectif est de produire, entre autres, de nouveaux matériaux agrosourcés à base d’amidon. L’objectif principal de ce projet est de sélectionner des ressources génétiques chez la pomme de terre afin d'isoler des amidons aux propriétés compatibles avec leur transformation ultérieure en bioplastiques. De plus, nous nous proposons d’étudier les processus biologiques qui contrôlent ces propriétés, c'est-à-dire l’initiation de la biosynthèse du polymère, la division des amyloplastes et la biosynthèse de l’amylose et de l’amylopectine (l’autre fraction de l’amidon).
Deux approches seront mises en oeuvre : i. le criblage sans a priori de la collection nationale des espèces et variétés de pommes de terre maintenue au centre INRA BrACySol à Ploudaniel (Bretagne), ii. une approche ciblée pour l’étude fonctionnelle des protéines associées au grain d’amidon et des gènes correspondants. Ce projet implique la mise en œuvre de méthodes de pointe dans l’analyse structurale et morphologique de l’amidon de même qu’en cristallographie, protéomique, biologie moléculaire ou physiologie du tubercule de pomme de terre. La microfluorescence X par rayonnement synchrotron sera également utilisée au cours de ce projet et nous proposons en outre d’établir pour la première fois une méthode d’expression transitoire de protéines recombinantes dans les cellules du tubercule de pomme de terre. Ceci permettra l’analyse rapide de leur fonction et localisation subcellulaire.
La diversité des expertises rassemblées au sein d’IFMAS contribuera à la réalisation du projet PoStaTic et permettra la valorisation des résultats obtenus ainsi que l’exploitation des ressources d’amidon identifiées. Ces dernières seront mises à disposition des chimistes et physiciens de l’IFMAS pour tester leur plastification et filmabilité ainsi que pour l’étude des propriétés physiques et mécaniques de plastiques prototypes. A plus long terme, d’importantes retombées environnementales, économiques et sociétales en Région Nord Pas de Calais sont attendues en lien avec l’approche de développement durable mise en place par IFMAS. Nous avons en outre l’ambition de modéliser la biogénèse du grain d’amidon du tubercule de pomme de terre dans le temps et l’espace et d’élucider l’étape d’initiation de sa biosynthèse. De telles avancées cognitives chez l’une des espèces les plus cultivées et utilisées de par le monde représentent un progrès scientifique majeur.

 

Programme ANR : Retour Postdoctorants (PDOC) 2013

Référence projet : ANR-13-PDOC-0030

Coordinateur du projet :
Monsieur Nicolas Szydlowski (Miniaturisation pour la synthèse, l'analyse et la Protéomique USR Lille1 / CNRS 3290)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.