Hydrolyse des polysaccharides

Les fibres alimentaires proviennent des légumes, céréales et fruits, elles ne sont pas digestibles et parviennent jusqu’au colon où le microbiote les dégrade. Elles consistent principalement en des polysacharides de parois cellulaires végétales, des polysaccharide de stockage où de l’amidon résistant. Le Tableau 2.1 présentent les fibres alimentaires principales ainsi que leur composition en monosaccharide. La taille et la structure des fibres alimentaires ne leur permet de n’être dégradées que dans la lumière intestinale par des enzymes extra-cellulaires excrétées ou présentes à la surface du micro-organisme dans la lumière intestinale. Certaines fibres peuvent être de structure complexe, de par leur densité et ramification ou par le nombre de sucres et de type de liaisons nécessitant l’action conjointe de différentes enzymes.

Fibres alimentaires Glucose Fructose Mannose Rhamnose Fucose Galactose Acide

Galacturo-nique

Arabinose Xylose

Pectines

arabinan (Betterave à sucre) ∼ ∼ ∼ X

arabinogalactan X ∼

pectic galactan (pomme de terre) ∼ X ∼ ∼

homogalacturonan (citrus) X

rhamnogalacturonan I (pomme de terre) X ∼ X ∼ ∼

rhamnogalacturonan II (Vin rouge) ∼ ∼ X ∼ ∼

Hemicelluloses and b-glucans

arabinoxylan (blé) X X Xylan (avoine) X xyloglucan (Tamarin) X ∼ ∼ X glucomannan (konjac) X X galactomannan (caroube) X X B-glucan (orge) X laminarin (algue) X

Starch, fructan, and a-glucans:

amylopectin (pomme de terre, mais) X

pullulan X

dextran X

inulin (chicorée) ∼ X

levan X

Table ^{2.1: Fibres alimentaires et leur composition en monosaccharide, certaines fibres} contiennent marginalement certains sucres, nous le symbolisons par ∼, tiré de Martens et al. (2011).

Dans le cas du microbiote intestinal humain les enzymes impliquées sont majoritairement les Glycosides Hydrolases (GH) et les Polysaccharides Lyases (PL). L’hydrolyse des fibres mobilise différents types d’enzymes qui ne libèrent pas directement de sucres simples. Dans le cas des GH, la distinction est faite entre enzymes dites endo et enzymes exo. Les enzymes exo sont uniquement capables de cliver les liaisons en bout de chaîne du polymère tandis que les enzymes

endo permettent de créer de nouvelles "extrémités" en attaquant des liaison à l’intérieur de la chaîne, la Figure 2.2 illustre ce point. Les familles de GH peuvent être endo ou exo selon les familles d’enzymes considérées.

Figure^{2.2: Mode d’action des enzymes endo etexo lors de l’hydrolyse d’un polymère linéaire.} Tiré de http ://www.cazypedia.org/index.php/Glycoside_hydrolases.

Les PL sont des enzymesendo associées aux liaisons faisant intervenir des acides uroniques c’est-à-dire les sucres simples dont le dernier carbone à été oxydé, la Figure 2.3 en montre un exemple dans le cas du glucose. De manière abusive nous parlerons toujours de sucres ou de polysaccharides pour désigner de tels acides et leur polymères.

(a) ^(b)

Figure^{2.3: L’oxydation du carbone 6 du glucose (a) produit de l’acide glucoronique (b)} La méthode de classification actuelle est dérivée de la méthodologie proposée par Henrissat et al. (1991), les auteurs ont construit et maintenu la base de données de référence nommée CAZY (http ://www .cazy.org/) comprenant 135 familles de GH et 24 de PL. Les familles de GH et PL y sont construites autour de domaines de séquences très conservées mais dans des gènes de longueurs très variables et de séquences peu homologues. De ce fait les stratégies habituelles d’annotation telles que l’utilisation de l’algorithme BLAST sur des séquences de référence offrent des résultats d’annotation médiocres. Yin et al. (2012) apportent une réponse

Les enzymes classifiées selon ce système partagent dans la grande majorité des cas un mé-canisme moléculaire ainsi qu’une activité hydrolytique commune. Le principal atout de cette classification est l’interprétation mécaniste des réactions catalysées par les enzymes d’une même famille. Cependant l’appartenance à l’une de ces famille n’offre pas toujours d’information de spécificité des substrats. A quelques exceptions près, plusieurs activités hydrolytiques ont été mises en évidence pour chaque famille d’enzymes, mais cela ne signifie pas que toute ces ac-tivités soient assurées par chacune des enzymes de chaque famille. A titre d’exemple, le GH 13 est associé à une capacité enzymatique d’hydrolyse des fibres contenant du glucose ou du fructose, cependant l’appartenance à cette famille n’offre aucune garantie que l’enzyme cata-lyse la production de glucose seul, de fructose seul ou de fructose et de glucose ensemble. Cet état de fait est en lien direct avec l’aspect modulaire de ces enzymes, c’est-à-dire que l’en-zyme se compose de plusieurs parties fonctionnellement indépendantes dont le GH ou le PL est l’un des composants. La fonction d’hydrolyse assurée n’est pas uniquement dépendante du GH ou PL mais peut nécessiter la présence conjointe de modules supplémentaires appelés Carbohydrate-Binding Modules (CBM). Ces modules permettent l’absorption de l’enzyme sur le polysaccharide ce qui résulte en une proximité entre l’enzyme et l’objet de la catalyse. La connaissance de ces enzymes ainsi que les techniques d’annotation actuelles ne sont pas suf-fisantes pour fournir une information fonctionnelle spécifique et fiable. L’appartenance à une famille de GH ou PL offre donc une information faible concernant la spécificité de substrat que les enzymes catalysent.

Nous exploitons le travail conjoint de El Kaoutari et al. (2013), Lozupone et al. (2008), ainsi que des génomes annotés afin de choisir des GH et PL caractéristiques de l’hydrolyse des fibres alimentaires par le microbiote intestinal humain. Dans la mesure où notre travail porte sur les polysaccharides, nous ignorons les activités d’hydrolyses associées aux fibres contenant des protéines telles que les glycanes animales et les peptidoglycanes. Le Tableau 2.2 présente les25 GH et PL sélectionnés ainsi que les sucres potentiellement produits suite à leur activité hydrolytique, ces informations sont tirées de la base de donnée CAZY (www.cazy.org). Ces marqueurs fonctionnels sont des traits fonctionnels de l’hydrolyse des fibres.

Marqueur de l’hydro-lyse/Sucres

Glucose Fructose Mannose Rhamnose Fucose Galactose Acide Galacturo-nique Arabinose Xylose GH 3 X X X X GH 5 X X X X GH 8 X X GH 9 X X GH 10 X GH 13 X X GH 16 X X X X GH 26 X X GH 28 X X GH 30 X X X X X GH 32 X X GH 39 X GH 43 X X X GH 44 X X GH 48 X GH 51 X X X GH 74 X X X X GH 91 X GH 94 X GH 115 X GH 120 X GH 127 X PL1 X PL9 X PL11 X

Table ^{2.2: Sucres potentiellement produits par les enzymes de chaque famille de GH et PL.}