1. La bioremédiation

2. La bioremédiation par les champignons

3. PAH oxydés par différentes espèces de champignons et leurs métabolites

4. Oxydation des PAH par différentes enzymes de champignons

a. Les peroxydases
b. Les laccases
c. Les cytochromes P450
d. Parois cellulaires des plantes et autres enzymes

5. Les fungi

a. Le règne des champignons
b. Exemples d'enzymes de champignon impliquées dans les voies de dégradation d'hydrocarbures et de PAH

6. Dégradation des dérivés du benzène et du phénol

a. Dégradation de l'acide 4-hydroxybenzoïque
b. Autres voies de dégradation connues

7. Quelques molécules thérapeutiques polluantes

a. Ibuprophène
b. Acétaminophène (paracétamol)
c. Carbamazépine
d. Danofloxacine
e. Diclofenac

8. Développement de capteurs électrochimiques et d'une biopile fongique

9. Etude de composés phénoliques comme source de carbone : exemple du toluène

10. Liens Internet et références bibliographiques

Ce projet de bioremédiation de résidus médicamenteux et de micropolluants dans l'environnement (les eaux usées) par un champignon est piloté par Maxime Pontié, Professeur en génie des procédés à l'Université d'Angers.

Présentation du projet "biopile fongique" du 12 octobre au 25 novembre 2018 au Palais de la découverte (animation scientifique "1 chercheur.e, 1 manip").

Voir le document : "évaluation des risques sanitaires liés à la présence de résidus de médicaments dans les eaux destinées à la consommation humaine - méthode générale et application à la carbamazépine et à la danofloxacine".

1. La bioremédiation

La bioremédiation est une stratégie efficace pour biodégrader les contaminants organiques, tels que les hydrocarbones aromatiques polycycliques ("Polycyclic Aromatic Hydrocarbons" - PAH) qui sont des molécules à haut potentiel mutagène, cancérogène et reprotoxique (CMR) et certains composés pharmaceutiques.

Source : aus der Beek et al. (2016)

Selon la directive européenne 93/67/CEE, les substances chimiques sont classées dans différentes classes de risque sur la base de la valeur la plus basse de leur EC50 :

• EC50 ≤ 1 mg L^-1 : composés très toxiques pour les organismes aquatiques
• 1 mg L^-1 ≤ EC50 ≤ 10 mg L^-1 : composés toxiques pour les organismes aquatiques
• 10 mg L^-1 ≤ EC50 ≤ 100 mg L^-1 : composés nocifs pour les organismes aquatiques
• EC50 ≥ 100 mg L-1 : composés non toxiques

Les PAH sont dans la liste des polluants organiques persistants et dans la liste des polluants prioritaires de l'agence de protection de l'environnement USA ("United States Environmental Protection Agency").

La bioremédiation utilise les processus biochimiques (le métabolisme) de microorganismes (algues, bactéries et champignons) pour transformer les contaminants (polluants) en substances inertes.

Il existe un large éventail de processus de remédiation, par exemple :

• amélioration de l'utilisation des surfactants
• mobilisation chimiotactique d'inoculants bactériens
• biostimulation sélective aux interfaces polluantes
• rhizo-remédiation et électro-remédiation

Exemples d'autres traitements non biologiques : photodégradation, irradiations rayons gamma, traitement mécanique de boues déshydratées avec des films minces d'argent dopés, ...

Exemples de domaines et de lieux où la bioremédiation a complètement dégradé les contaminants (Biswas et al., 2015) :

• sols contaminés par du goudron de houille, par du créosote, par des hydrocarbures, par du compost, par du pyrène, des boues de pétrole, par des déchets solides municipaux
• des boues d'épuration contaminées
• des sédiments marins contaminés

Electroremédiation

Cette technique, utilisée principalement pour l'extraction des métaux lourds, applique le courant électrique pour engendrer le mouvement des contaminants. Cette technique, seule ou combinée à la technique Fenton ou à la bioremédiation donnent de bons résultats dans l'élimination des PAH (Qin et al. 2016).

L'application séquentielle d'un agent chélatant (l'acide citrique) puis d'un agent tensio-actif au cours de l'électroremediation simultanée de sédiments contaminés par des métaux toxiques et les PAH a été étudiée (Hahladakis et al. 2014). L'acide citrique améliore de façon spectaculaire l'élimination de Zn et As.

L'efficacité d'agents tensioactifs non ioniques (Poloxamer 407 et Nonidet P40) a été évaluée : ils éliminent 43% et 48% des PAH (exemple, le fluorène), respectivement. Ce résultat est meilleur que celui obtenu avec le Tween 80 (21%).

2. La bioremédiation par les champignons ou remédiation fongique

Les mécanismes d'élimination des composés PAH ou pharmaceutiques incluent :

• l'adsorption sur la biomasse fongique (la "biosorption")
• la dégradation par des enzymes extracellulaires
• la dégradation par des enzymes liées au mycélium ou des enzymes intracellulaires

L'élimination de certains composés par les cellules fongiques entières et par les enzymes purifiées ne sont pas équivalentes, ce qui souligne l'importance des effets synergiques entre les enzymes extracellulaires, liées au mycélium et intracellulaires. De plus, la sécrétion de médiateurs naturels contribue à augmenter la dégradation de ces composés.

L'utilisation des champignons comme agents de bioremédiation fait l'objet de travaux de recherche du fait du potentiel de leurs enzymes oxydantes dans la transformation enzymatique de polluants dans l'environnement. C'est le cas notamment de champignons appartenant aux Ascomycètes (Ascomycota) et aux Zygomycètes (Zygomycota).

De nombreux champignons lignino-lytiques (dégradation de la lignine par hydrolyse enzymatique) sont capables d'oxyder les PAH (Cerniglia, 1992). Les champignons lignino-lytiques (exemple : Irpex lacteus) oxydent la lignine par l'action des peroxydases de lignine, des peroxydases Mn-dépendantes et des laccases. Ces enzymes ont une spécificité large car elle oxydent une grande variété de composés organiques.

Exemples :

• Coriolopsis gallica (champignon de la pourriture blanche - white rot) est capable d'oxyder les PAH (acénaphtène, phénanthrène, biphénylène, anthracène, 2-méthylanthracène, 9-méthylanthracène et benzo(a)-pyrène (Pickard et al., 1999).
• Les principaux produits de dégradation de l'anthracène et du phénanthrène par Irpex lacteus sont l'anthraquinone et le phénanthrène-9,10-dihydrodiol, respectivement (Cajthaml et al., 2002).

• Des souches de champignons du genre Trichoderma/Hypocrea et du genre Fusarium (ADN ribosomique 18S) assimilent l'anthracène et le fluoranthène. L'activité de dégradation du pyrène (plus efficace à pH 4 qu'à pH 6) et la croissance de l'une de ces souches est améliorée en ajoutant 0,02% d'extrait de levure, 0,1% de saccharose ou 0,1% de lactose (Mineki et al., 2015).

Dans le traitement à l'échelle du laboratoire, les PAH de haut poids moléculaire sont plus significativement dégradés en 3 mois dans les microbiotes inoculés par Phanerochaete velutina que dans les microbiotes non inoculés : 96% des PAH à 4 cycles (vs. 55%) et 39% des PAH à 5 et 6 cycles (vs. 7%).

Cependant, à l'échelle du champ, la dégradation est similaire (94% des PAH dégradés en 3 mois dans les deux cas). Dans l'expérience à l'échelle du champ, le nombre de copies du gène de la dioxygénase hydroxylante des PAH cycliques des bactéries Gram+ augmente d'un facteur 1000 : la dégradation bactérienne des PAH joue un rôle important.

Figure ci-dessous : aperçu de quelques voies métaboliques de dégradation de composés aromatiques par des bactéries (source : KEGG).

a. Les peroxydases - oxydation extracellulaire

Les principales peroxydases à haut potentiel rédox de champignons dites de classe II, sont impliquées dans la biodégradation de la ligno-cellulose avec une gamme exceptionnelle de substrats organiques et inorganiques.

Les peroxydases sont des enzymes contenant un seul hème (protoporphyrine IX), de sorte que le spectre d'absorption de ces enzymes a un maximum d'absorbance particulier à 406-409 nm. Les peroxydases sont divisées en plusieurs types.

Les peroxydases des lignines (ligninase, LiP - E.C. 1.11.1.14)

La valeur du potentiel rédox du groupement hème (atome de fer - E₀' = +1,2 V à +1,5 V) permet que le site catalytique de ces enzymes oxyde une grande variété de substrats phénoliques et non phénoliques en présence de H₂O₂.

• 1-(3,4-diméthoxyphenyl)-2-(2-méthoxyphenoxy)propane-1,3-diol + H₂O₂ <=> 3,4-diméthoxybenzaldéhyde + 2-méthoxyphenol + glycolaldehyde + H₂O

• Dépolymérisation des lignines : catalyse le clivage Cα-Cβ des chaînes latérales propyle des lignines. L'alcool de vératryle semble nécessaire pour activer l'enzyme, notamment pour oxyder les lignines.

Il existe une très grande diversité / hétérogénéïté de lignines. Elles constituent la source de carbone organique la plus importante sur terre et représentent près de 30% du carbone séquestré chaque année dans les matières végétales. Des fragments de type lignine étaient présents il y a environ 430 millions d'années. Ce sont des polymères non linéaires complexes, dont le précurseur est la phénylalanine.

La proportion de chacun des 3 monomères constitutifs des lignines permet de les classer : lignines d'herbacées, de résineux et de feuillus.

Les peroxidases à manganèse (MnP - E.C .1.11.1.13)

• Valeur du potentiel rédox : E₀' = +1,0 V à +1,2 V
• Elles catalysent l'oxydation de Mn²⁺ en Mn³⁺ : 2 Mn²⁺ + 2 H⁺ + H₂O₂ <=> 2 Mn³⁺ + 2 H₂O
• Mn³⁺ agit comme un composé rédox diffusible et il oxyde une variété de composés de lignines.
• Un acide gras insaturé tel que le linoléate pourrait être un médiateur de la MnP.

Autres types de peroxydases

Les peroxydases décolorantes de pigments ("dye-decolorizing peroxidases" - DyP - E.C. 1.11.1.19 - Basidiomycètes) :

• Valeur du potentiel rédox : E₀' = +1,2 V à +1,5 V
• Elles catalysent des réactions dépendantes de H₂O₂
• Enzymes bifonctionnelles ayant des activités oxydantes et hydrolytiques sur les composés organiques phénoliques et non phénoliques, dont certains (par exemple certains colorants textiles récalcitrants et le p-nitrophénol) sont mal acceptés par d'autres peroxydases.

Les chloroperoxydases halogénantes (E.C. 1.11.1.10 - Ascomycètes) et les peroxygénases non spécifiques ou aromatiques (E.C. 1.11.2.1) :

• Superfamille des hème-thiolate peroxydases (ou haloperoxydases - Ascomycètes et Basidiomycètes).
• Elles transfèrent l'oxygène peroxyde aux substrats.
• Elles sont capables d'agir sur une gamme particulièrement larges de substrats sur lesquels elles effectuent des réactions telles que : la peroxygénation aromatique, l'époxydation double liaison, l'hydroxylation des composés aliphatiques, le clivage de groupement éther, la sulfoxydation, la N-oxydation et l'oxydation du bromure.

b. Les laccases - oxydation extracellulaire

Les laccases (E.C. 1.10.3.2) sont des oxydoréductases à cuivre (4 atomes de cuivre par enzyme) trouvées dans de nombreuses plantes, champignons et micro-organismes. Ces enzymes ont une masse molaire ≥ 60 kDa (supérieures à celles des peroxydases) et un point isoélectrique acide. Les laccases sont glycosylées.

Les laccases catalysent l'oxydation directe de divers phénols, des polyphénols et des anilines, très présents chez les végétaux supérieurs, les champignons et les bactéries.

Visualisation de la laccase de Coriolopsis trogii à une résolution de 1,58 Å

Code PDB : 2HRG - Matera et al. (2007)

Voir le champignon Coriolopsis trogii.

Activité des laccases et médiateurs

Certaines laccases participent à la formation des lignines en favorisant le couplage oxydatif des monolignols (famille de phénols naturels).

D'autres laccases (par exemple, celle du champignon Pleurotus ostreatus) participent à la dégradation des lignines.

• avec un capteur d'oxygène ("oxygen sensor"), car l'oxydation du substrat est associée à la réduction de l'oxygène en eau.
• par spectrophotométrie avec des substrats tels que l'ABTS (acide 2,2'-azino-bis(3-éthylbenzothiazoline-6-sulphonique)), la syringaldazine, le 2,6-diméthoxyphénol et la diméthyl-p-phénylènediamine.

La valeur du potentiel rédox du systéme des atomes de cuivre (E₀' = +0,4 V à +0,8 V) est trop faible pour que le site catalytique de cette famille d'enzymes oxyde des dérivés non phénoliques.

Des molécules, appelées médiateurs, participent à la catalyse. Les médiateurs possèdent un potentiel redox plus élevé que celui des laccases : ce sont des molécules oxydables par les laccases et qui, une fois oxydées, transfèrent les électrons qui, à leur tour, oxydent un grand nombre de substrats

En présence de médiateurs appropriés, les laccases ont donc une une capacité d'oxydation plus grande : elles peuvent alors oxyder une gamme plus diversifiée de composés, tels que les PAH. Cette particularité a de nombreuses applications biotechnologiques (oxydation des lignines non phénoliques, détoxification de divers polluants environnementaux, traitement des eaux usées).

• Exemples de médiateurs de synthèse : 1-hydrobenzotriazole (1-HBT), acide 2,2'-azino-bis-(3-éthylbenzothiazoline-6-sulfonique) (ABTS), acide violurique
• Exemples de médiateurs naturels : syringaldéhyde, phénol, aniline, acide 4-hydroxybenzoïque, alcool 4-hydroxybenzylique, acide 3-hydroxyanthranilique, acétosyringone. Les médiateurs naturels ne désactivent pas les laccases. Ils sont peu coûteux et non toxiques.

Il existe 3 types de mécanisme d'action des médiateurs

• mécanisme de transfert d'hydrogène (exemple : phénols naturels)
• mécanisme de transfert d'électrons (exemple : ABTS - 2 oxydations successives)
• mécanisme mettant en jeu un intermédiaire : un ion oxonium (exemple : (2,2,6,6-tétraméthylpipéridin-1-yl)oxyl ou TEMPO)

Motifs consensus (exemple : Laccase de Scedosporium apiospermum => XP_016638801) :

• [AILV]-N-G-x(1,3)-P-G-P-x(1,2)-[AILV]-x(3,5)-G-D-x(2,4)-[AILV]-x(2,4)-N
• H-[FWY]-H-G-x(1,3)-Q-x(5,7)-D-G
• R-x(2,4)-D-x(1,2)-P-G-x(1,2)-W-x(1,3)-H-C-H-x(1,3)-W-H

c. Les cytochromes P450 - oxydation intracellulaire initiale puis excrétion des métabolites

Les enzymes cytochromes P450 (CYP) sont des oxydoréductases qui appartiennent à la superfamille des mono-oxygénases (E.C. 1.14.14.-).

• Ces enzymes contiennent un hème comme cofacteur : ce sont des hémoprotéines (57 gènes chez l'homme).
• P450 dérive de la longueur d'onde (450 nm) du maximum d'absorption du spectre de cette enzyme (réduite et complexée au CO).
• Les cytochromes P450 (E.C. 1.14.14.1) interviennent dans une très grande diversité de réactions chimiques, avec une réaction finale : RH + 0₂ => ROH + H₂0

Un très grand nombre de cytochromes P450

• Les cytochromes P450 existent dans tous les règnes (> 300.000 séquences de CYP).
• On comptabilise > 85.000 séquences de CYP chez les champignons (Ascomycètes, Basidiomycètes, Mucoromycotina et Chytridiomycota).

Exemple de nomenclature des sous-familles de CYP : CYP27A1 indique le gène 1 codant le cytochrome P450 du groupe 27, de la sous-famille A.

Malgré ce nombre très important, des motifs consensus sont retrouvés dans les séquences d'acides aminés des CYP :

• FXXGXRXCXG : domaine de liaison à l'hème autour de la Cys invariante fixée à l'hème
• EXXR et PER qui forment la triade E-R-R
• AGXDTT : domaine de liaison et d'activation de l'oxygène

Classification des CYP des champignons

CYP de la classe II :

• fraction microsomale : protéine intégrale de la membrane du réticulum endoplasmique
• transfert d'électrons du NADPH à la cytochrome P450 réductase (CPR - E.C. 1.6.2.4 - flavoprotéine à FAD et FMN) couplée au cytochrome P450
• CPR : résultat de la fusion de 2 gènes ancestraux (N-terminal issue d'une réductase à flavodoxine et C-terminal issue de réductases [ferredoxine + cytochrome b5])
• IPR002402 : famille Interpro cytochrome P450 "E-class / group II"

Exemples :

• CYP51 (Saccharomyces cerevisiae) : démethylation du lanosterol
• CYP52 (Scheffersomyces stipitis) : hydroxylation de chaînes linéaires (exemple : alcanes) (A3LZV9)
• CYP53 (Aspergillus niger) : p-hydroxylation du benzoate
• CYP56 (Saccharomyces cerevisiae) : peut-être impliquée dans l'oxydation des résidus tyrosine (P21595)

CYP de la classe VIII :

• faiblement liés à la membrane : voir CYP 2B4
• transfert d'électrons du NADPH au complexe [domaine cytochrome P450 réductase (FAD, FMN) fusionné à un domaine cytochrome P450]
• hydroxylation terminale (ω1 à ω3) des acides gras saturés en C₉ - C₁₈

Exemples :

• CYP505A1 (appelé aussi P450_foxy) de Fusarium oxysporum
• Phanerochaete chrysosporium (groupe de champignons basidiomycètes) possède 7 gènes codant P450_foxy
• CYP505B1 (ou Fum6p) de Gibberella moniliformis (Fusarium verticillioides - ascomycètes filamenteux)

CYP de la classe IX :

• cette classe ne contient pour l'instant que la NO réductase (cytochrome C) (E.C. 1.7.2.5 - P450_nor)
• cytosol et mitochondrie
• transfert d'électrons du NADH au cytochrome P450

Exemple :

CYP55A1 (appelé aussi P450nor) de Fusarium oxysporum (P23295)

CYP53A (champignons ascomycètes Aspergillus niger, Aspergillus nidulans et Cochliobolus lunatus / champignon basidiomycète Phanerochaete chrysosporium) : hydroxylation de l'acide benzoïque et d'autres dérivés mono-substitués du benzoate formant des produits p-hydroxylés dégradé par la voie du β-cétoadipate.

Voir la voie de dégradation du benzoate.

CYP57A1 (PDA) : pisatine déméthylase de Necria haematococca (anamorphe de Fusarium solani) - souches pathogènes pour le pois (Pisum sativum).

CYP504A1 et CYP504B1 : dégradation de composés aromatiques exogènes chez Aspergillus nidulans poussant sur le phénylacétate et ses dérivés hydroxyles comme seules sources de carbone.

• CYP504A1 : catalyse la conversion du phénylacétate en 2-hydroxyphénylacétate. C'est la première étape du catabolisme fongique du phénylacétate via l'homogentisate (2,5-dihydroxyphénylacétate) dégradé en fumarate et en acétoacétate.
• CYP504B1 : hydroxylase C6 qui convertit le 3-hydroxy- et le 3,4-dihydroxyphénylacétate en homogentisate et en 2,3,5-trihydroxyphénylacétate, respectivement.

d. Parois cellulaires des plantes et autres enzymes

Les parois cellulaires des plantes sont uniques tant du point de vue structural que fonctionnel. Elles peuvent être divisées en lamelles moyennes, parois cellulaires primaires et parois cellulaires secondaires. La composition chimique des parois des cellules végétales varie considérablement entre les monocotylédones, les dicotylédones, les résineux et les feuillus.

La cellulose, l'hémicellulose et la pectine (polysaccharide non cellulosique) sont les polysaccharides les plus importants des parois cellulaires des plantes. La cellulose est un polymère de glucose, l'hémicellulose est composée d'oses en C6 (glucose, mannose, galactose) et en C5 (xylose, arabinose). Les enzymes qui décomposent la cellulose, l'hémicellulose et la lignine sont généralement appelées cellulases, hémicellulases et enzymes de modification de la lignine ("lignin-modifying enzymes").

La base de données CAZy ("Carbohydrate-Active enZYmes Database") décrit les familles de domaines fonctionnels (domaines catalytiques et de fixation aux glucides) des enzymes qui dégradent, modifient ou créent des liaisons glycosidiques.

Les enzymes de modification et de dégradation de la paroi des cellules végétales sécrétées par des microorganismes ont été classées en 6 classes dans CAZy : glycoside hydrolases (GH), glycosyl transferases (GT), activité auxiliaire ("Auxiliary Activity", AA), carbohydrate esterase (CE), les polysaccharides lyases (PL) et les domaines de liaison aux glucides ("carbohydrate-binding domains").

5. Les fungi

a. Le règne des champignons (eumycota, fungus, fungi)

On dénombre environ 100.000 organismes du règne des champignons qui comprend les levures, les rouilles, les charbons, les moisissures et les champignons. On suppose qu'il puisse en exister plusieurs millions.

Principaux groupes : Chytridiomycota, Zygomycota, Glomeromycota, Ascomycota et Basidiomycota.

Source : Introductory Mycology BOT 461/561

La majorité (~ 98%) des espèces fongiques décrites sont des membres du clade dikarya, qui comprend les phyla Ascomycota et Basidiomycota :

• Ascomycota est le plus grand phylum des champignons. Il se caractérise par la production de meiospores (ascospores) dans des spores spécialisés (asque - "ascus"). Ascomycota est divisé en 3 sous-phyla monophylétiques : Taphrinomycotina (exemples : Pneumocystis et Taphrina), Saccharomycotina (exemples : Saccharomyces cerevisiae et Candida albicans) et Pezizomycotina (le plus vaste des 3 sous-phyla).
• Basidiomycota comprend environ 30.000 espèces de rouilles, de charbons, de levures et de champignons. La plupart sont caractérisées par des méiospores (basidiospores) produits à l'extérieur dans la partie appelée baside. Les relations phylogénétiques entre les 3 sous-phyla de Basidiomycota (Pucciniomycotina, Ustilaginomycotina et Agaricomycotina) sont incertaines.

Source : MycoCosm ("The fungal genomics resource")

b. Exemples d'enzymes de champignon impliquées dans les voies de dégradation d'hydrocarbures et de PAH

Source : Morales et al. (2017)

6. Dégradation des dérivés du benzène et du phénol

a. Dégradation de l'acide 4-hydroxybenzoïque

La 4-hydroxybenzoate 3-monooxygénase (E.C. 1.14.13.2) dégrade l'acide 4-hydroxybenzoïque :

b. Autres voies de dégradation connues

La levure pathogène Candida parapsilosis ne dégrade pas le phénol, le catéchol (1,2-dihydroxybenzène), le salicylate (2-hydroxybenzoate) ni le 2,3-dihydroxybenzoate.

Cependant, elle se développe sur plusieurs dérivés hydroxy du benzène et de l'acide benzoïque (exemples : 3-hydroxybenzoate, 4-hydroxybenzoate, gentisate, hydroquinone, protocatéchuate, résorcinate, résorcinol). Le catabolisme de ces composés se fait par l'intermédiaire :

• de la voie du 3-oxoadipate : 4-hydroxybenzoate / 2,4-dihydroxybenzoate / protocatéchuate
• ou de la voie du [3-hydroxybenzoate / gentisate] (ou acide gentisique ou acide 2,5-dihydroxybenzoïque).

Source : Holesova et al. (2011)

Les transporteurs mitochondriaux relient le catabolisme de ces composés au métabolisme central de Candida parapsilosis. Ces transporteurs appartiennent à la famille des transporteurs MFS ("Major Facilitator Superfamily") et sont les équivalents des symports [acide aromatique:H⁺] des bactéries.

Voir un cours sur les transports biologiques et les transporteurs.

Comparaison des voies de dégradation des hydroxybenzènes et des hydroxybenzoates chez les levures Candida parapsilosis et Candida albicans

Source : Cillingova et al. (2017)

Les deux espèces de Candida diffèrent par les voies biochimiques impliquées dans la dégradation des substrats hydroxy-aromatiques et par les systèmes de transport de ces composés :

• Candida parapsilosis assimile à la fois les hydroxybenzènes et les hydroxybenzoates
• Candida albicans utilise une gamme d'hydroxybenzènes plus large, mais pas d'hydroxybenzoates

Bien que le variant HHQ de la voie 3-oxoadipate opère dans les deux espèces, Candida albicans ne possède pas la monooxygénase décarboxylante Mnx1 ni le transporteur d'hydroxybenzoate Hbt2 (présents chez Candida parapsilosis).

• Les protéines Mnx1 et Hbt2 sont paralogues respectivement de Mnx2 et Hbt1, impliqués dans la voie du gentisate.
• Les protéines Mnx3 et Hdx1 de Candida parapsilosis sont orthologues respectivement des protéines Phh1 / Phh2 et Hqd1 de Candida albicans.

Enzymes : 3-hydroxybenzoate 6-hydroxylase and 4-hydroxybenzoate 1-hydroxylase

7. Quelques molécules thérapeutiques polluantes

Un xénobiotique ("xenos" : étranger & "bios" : vie) est une molécule polluante et parfois toxique que l'on trouve dans un organisme bien qu'elle lui soit étrangère. Exemples : les pesticides, les médicaments, les antibiotiques.

Certains médicaments largement utilisés comme l'ibuprofène, le diclofénac, les hormones synthétiques sont présents à des concentrations élevées dans l'environnement. La présence de ces micropolluants mobilise de plus en plus les compagnies d'eau potable et les institutions en charge de la pureté des ressources en eau.

a. L'ibuprophène

L'ibuprofène (C₁₃H₁₈O₂) appartient à la classe des composés acides phenylpropanoiques.

• Solubilité dans l'eau : 0,08 mg.L^-1.
• Voir les informations PUBCHEM.
• Voir les informations détaillées ChEBI.

Rôles biologiques :

• médicament analgésique non narcotique qui ne se lie pas aux récepteurs opioïdes.
• antipyrétique et anti-inflammatoire non stéroïdien qui se fixe aux cyclo-oxygénases (E.C. 1.14.99.1).
• Voir les effets indésirables sur l'homme : HMDB

L'ibuprofène est presque complètement métabolisé. La principale voie d'élimination est le métabolisme oxydatif par les enzymes cytochrome P450.

L'oxydation de la chaîne isopropyle de l'ibuprophène par Trametes versicolor forme le 1-hydroxy ibuprophène et le 2-hydroxy ibuprophène, eux-mêmes transformés en 1,2-dihydroxy ibuprofène (Marco-Urrea et al., 2009) qui n'est pas dégradé : l'écotoxicité des effluents traités est donc supérieure à celle de la solution initiale.

b. L'acétaminophène ou paracétamol

L'acétaminophène ou paracétamol (N-acétyl-p-aminophénol ou 4'-hydroxyacétanilide) est un antalgique. Il est vendu à des milliards de doses dans le monde depuis des années.

L'acétaminophène (C₈H₉NO₂) appartient à la classe des composés phénoliques (acétamide).

• Solubilité dans l'eau : 14.000 mg.L^-1.
• Voir les informations PUBCHEM.
• Voir les informations détaillées ChEBI.

Effets biologiques : ce n'est pas un anti-inflammatoire. On suspecte que l'hépatotoxicité induite par l'acétaminophène soit une cause majeure d'insuffisance hépatique.

Voir les informations PUBCHEM pour l'acide acétylsalicylique.

Quelques métabolites issus de la dégradation de l'acétaminophène par les bactéries dans le sol : 3-hydroxyacétaminophène, hydroquinone, 1,4-benzoquinone, N-acétyl-p-benzoquinone imine, p-acétanisidide, 4-méthoxyphénol, acide 2-hexénoïque et 1,4-diméthoxybenzène.

Voir Pontié et al. (2019) : article sur la biodégradation de l'acétaminophène par Scedosporium dehoogii dans une biopile.

c. La carbamazépine

La carbamazépine (C₁₅H₁₂N₂0) appartient à la classe des dibenzazepines (2 noyau benzène reliés par un noyau azepine).

• Solubilité dans l'eau : 17,7 mg.L^-1.
• Voir les informations PUBCHEM.
• Voir les informations détaillées ChEBI.

Effets biologiques : la carbamazépine (vendue sour le nom Tegretol) est prescrite conte l'épilepsie. C'est un anti-convulsif.

Elle est biodégradée à 100 % par Pleurotus ostreatus et à 76% parTrametes versicolor ATCC 42530. L'action de la laccase de Trametes versicolor en présence du médiateur rédox 1-hydroxybenzotriazole (HBT) aboutit à la synthèse de la 10,11-dihydro-10,11-époxycarbamazepine (CBZP-époxide) et de la 9(10H)-acridinone (Toran M. J., 2018). L'écotoxicité des effluents traités est inférieure à celle de la solution initiale.

d. La danofloxacine

La danofloxacine (C₁₉H₂₀FN₃0₃) appartient à la classe des fluoroquinolones. C'est un antibiotique à usage vétérinaire.

• Solubilité dans l'eau : 172.000 mg.L^-1.
• Voir les informations PUBCHEM.

e. Le diclofénac

Cette molécule (C₁₄H₁₁Cl₂NO₂, appelée aussi Voltaren) appartient à la classe des anti-inflammatoires non stéroïdiens.

• Solubilité dans l'eau : 2,37 mg.L^-1.
• Voir les informations PUBCHEM.
• Voir les informations détaillées ChEBI.

La bioremédiation par le champignon de la pourriture blanche Trametes versicolor forme divers intermédiaires plus ou moins toxiques (Marco-Urrea et al., 2010). Le 4-(2,6 dichlorophénylamino)-1,3-benzènediméthanol est un composé biodégradable.

Voir Pontié et al. (2018) : article sur la biodégradation du diclofénac par Scedosporium dehoogii dans une biopile.

9. Etude de composés phénoliques comme source de carbone : exemple du toluène

Courbes de croissance de Cladophialophora immunda (souche 17, CBS 110551). La densité optique à 700 nm a été enregistrée en fonction des jours de culture dans des plaques de microtitrage.

Source : Blasi et al. (2016)

(H) : milieu complémenté en toluène; (G) : milieu complémenté en glucose; (GVT) : milieu complémenté en glucose, vitamines et oligo-éléments.

Le champignon Cladophialophora immunda a été cultivé en présence de toluène comme unique source de carbone et d'énergie.

• La transcription de certains gènes impliqués dans la dégradation du toluène sont activés. Ils ont enclenché plusieurs mécanismes de réponse au stress qui ont permis au champignon de survivre à l'exposition au toluène.
• L'analyse génomique comparative a permis d'identifier plusieurs événements de transfert de gènes horizontaux entre les bactéries et Cladophialophora immunda.

De telles études apportent des information en ce qui concerne l'écologie de certaines espèces de champignons et leurs stratégies d'adaptation aux environnements pollués par les hydrocarbures.