Biopolymères
Les biopolymères sont des polymères naturels, des molécules à longue chaîne (macromolécules) constituées principalement d’une composition répétée de blocs de construction ou de monomères qui sont formés et utilisés par des organismes vivants.
Composition de biopolymères
Chaque groupe de biopolymères est composé de différents éléments constitutifs, par exemple des chaînes de molécules de sucre forment de l’amidon (un polysaccharide), des chaînes d’acides aminés forment des protéines et des peptides, et des chaînes d’acides nucléiques forment de l’ADN et de l’ARN (polynucléotides).
Les biopolymères peuvent former des gels, des fibres, des revêtements et des films en fonction du polymère spécifique, et remplir diverses fonctions critiques pour les cellules et les organismes. Les protéines, notamment les collagènes, les kératines, les soies, les tubulines et l’actine, forment généralement des composites structurels ou des échafaudages, ou des matériaux protecteurs dans les systèmes biologiques (par exemple, la soie d’araignée).
Les polysaccharides fonctionnent en reconnaissance moléculaire à la surface des membranes cellulaires, forment des couches de barrière capsulaire autour des cellules, agissent comme émulsifiants et adhésifs et servent de matériaux squelettiques ou architecturaux dans les plantes. Dans de nombreux cas, ces polymères se combinent avec des protéines pour former de nouvelles structures composites telles que des exosquelettes d’invertébrés ou des parois cellulaires microbiennes, ou avec de la lignine dans le cas des parois cellulaires végétales.
Les biopolymères naturels ont une grande diversité de fonctions, mais seul un petit nombre de ce groupe diversifié de polymères a été largement étudié et exploité commercialement. Cependant, l’impact même de ces nombres limités au XXe siècle a été considérable.
Biopolymères végétaux
Les biopolymères végétaux (p. ex., l’amidon, la cellulose du coton et du lin, caoutchouc naturel) et animales (p. ex., le collagène ou la gélatine) sont traditionnellement récoltés et utilisés depuis des siècles comme aliments et matériaux. Au XXe siècle, d’autres biopolymères ont été traités ou extraits de plantes (par exemple, les alginates d’algues) et exploités dans de nombreuses applications importantes liées aux matériaux, et de nouveaux polymères ont été conçus ou modifiés (voir ci-dessous).
L’alginate d’algues a été développé dans les années 1930 lorsque la société Kelco a commercialisé le biopolymère comme stabilisant alimentaire dans la crème glacée. Les biopolymères ont depuis transformé les industries alimentaires en gommes, stabilisants et émulsifiants, l’industrie de l’extraction du pétrole dans l’utilisation du xanthane pour améliorer la récupération du pétrole, la médecine (par exemple, les biomatériaux de collagène et de soie) et la cellulose et l’amidon largement utilisés dans les industries de la pâte à papier, du papier et du textile.
Propriétés rhéologiques des biopolymères
Les propriétés rhéologiques des biopolymères tels que le xanthane leur confèrent leurs propriétés utiles : l’ajout de xanthane aux fluides de forage à base d’eau augmente la viscosité.
Le xanthane est également utilisé dans les formulations alimentaires et pharmaceutiques en raison de sa stabilité sur une large gamme de concentrations de pH et de sel. Les alginates sont utilisés pour la gélification, l’émulsification et la stabilisation dans les aliments et les formulations céramiques, comme revêtements pour le papier et dans les formations pharmaceutiques.
Les produits biodégradables à base d’amidon et les polyhydroxyalcanoates bactériens générés par extrusion thermique ou traitement en solution ont été largement étudiés ces dernières années en tant qu’options moins coûteuses pour les plastiques de base et pour les applications de matériaux biomédicaux.
Les modes traditionnels de production de biopolymères
Les modes traditionnels de production de biopolymères incluent l’agriculture, comme dans le cas de la cellulose du coton et de l’amidon du maïs. Les nouvelles méthodes de génération de matériaux polymères à partir de plantes peuvent impliquer :
- Amélioration des modes de production grâce à la culture tissulaire dans des bioréacteurs.
- Dégradation chimique de la matière végétale ou par fermentation microbienne et synthèse ultérieure de nouveaux polymères.
- Adaptation de la structure polymérique originale de la matière végétale par synthèse enzymatique ou génie génétique. Une variété de polysaccharides microbiens produits à l’extérieur des cellules sont produits commercialement ; Le plus important est probablement la gomme xanthane, produite par des enzymes à partir du sirop de maïs. Les progrès réalisés dans la synthèse in vitro de biopolymères, via des systèmes de culture cellulaire ou la catalyse enzymatique, suggèrent des opportunités futures d’élargir davantage la gamme de monomères susceptibles d’être incorporés directement dans les biopolymères au cours de la synthèse biologique.
De nouvelles options sont activement explorées pour élargir les éléments constitutifs (monomères tels que les acides aminés, les sucres et les acides gras) utilisés dans ces types de polymères en mariant la chimie et la biologie. L’incorporation de blocs de construction non natifs, tels que les acides aminés modifiés dans les protéines, les sucres alternatifs dans les polysaccharides et les acides gras alternatifs dans les polyesters, sont des exemples de la gamme croissante de monomères qui peuvent être utilisés dans les biopolymères qui peuvent être générés par synthèse biologique, une approche qui évite les limitations historiques imposées par la biologie et l’évolution ou la sélection. Par exemple, les acides aminés fluorés et les acides gras fluorés
Des acides ont été incorporés avec succès dans des protéines et dans des polysaccharides comme l’émulsan, un biopolymère synthétisé naturellement par une bactérie et qui se prête à une adaptation structurelle.
La dérivation chimique extensive des polysaccharides est réalisée industriellement, en particulier avec des amidons (principalement dérivés du maïs) et de la cellulose, comme moyen de modifier la solubilité et les propriétés. Le génie génétique est poursuivi par l’intermédiaire d’animaux ou de plantes transgéniques, en insérant des gènes bactériens qui créent de nouvelles voies de biosynthèse.
Par exemple, les collagènes et les soies transgéniques sont recherchés comme voie vers des sources plus rentables de ces matériaux pour les matériaux biomédicaux et les produits de base. Des gènes isolés d’espèces d’araignées pourraient être utilisés dans des cellules de mammifères pour produire de la soie.
Les polyhydroxylalcanoates (PHA) sont une grande famille de polyesters structurellement apparentés, synthétisés par de nombreuses bactéries ou plantes transgéniques et accumulés sous forme de granules dans la cellule. Ces thermoplastiques naturels ont été étudiés dans les années 1970 à la suite de la crise pétrolière et développés par ICI au Royaume-Uni. Ces polymères sont composés d’homo- ou de copolymères intracellulaires d’acides [R]-b-hydroxyalcanoïques.
Les PHA ont été recherchés pour les matériaux biomédicaux ainsi que pour les remplacements des polymères dérivés de la pétrochimie, car ils se biodégradent naturellement et complètement, et offrent diverses options pour la chimie des monomères qui peuvent être incorporés biologiquement dans le polymère.
Une fois extraits des cellules et transformés en plastiques, certains PHA présentent des propriétés matérielles similaires à celles du polypropylène. Les PHA ont été produits à l’échelle industrielle (un polymère produit sous le nom commercial Biopol est utilisé comme matériau d’emballage, par exemple pour les bouteilles de shampooing), bien que les applications commerciales des PHA se soient concentrées ces dernières années sur les applications de matériaux biomédicaux en raison des coûts élevés de la production de polymères synthétisés par des bactéries synthétiques.
Une caractéristique importante
Une caractéristique importante de la synthèse biologique est le processus dirigé par la matrice utilisé dans le cas de la biosynthèse des protéines et des acides nucléiques. Par rapport aux approches synthétiques de synthèse des polymères, cette méthode offre un contrôle direct de la séquence des monomères (et donc de la chimie) et de la taille des polymères.
Par conséquent, les méthodes de biosynthèse sont des processus soigneusement orchestrés visant à optimiser les structures pour la reconnaissance moléculaire afin de piloter l’assemblage macromoléculaire, tout en étant conçues pour conserver les ressources afin de favoriser la survie de l’organisme. Ces polymères sont également recyclés dans des cycles géochimiques et biologiques naturels pour être réutilisés et servent de modèles pour les approches de « chimie verte ».
Les progrès de l’ingénierie métabolique, les considérations environnementales concernant les polymères renouvelables à partir de matières premières non pétrolières et l’expansion de la biologie moléculaire et des outils d’ingénierie des protéines en général orientent la synthèse et la production de biopolymères dans de nouvelles directions.
La possibilité d’améliorer, de modifier ou de diriger les caractéristiques structurelles des biopolymères par le biais de manipulations génétiques, de contrôles physiologiques ou de processus enzymatiques offre de nouvelles voies vers de nouveaux polymères dotés de fonctions spécialisées. On peut s’attendre à ce que l’utilisation de biopolymères dans les matériaux de base et de spécialité, ainsi que dans les applications biomédicales, continue d’augmenter en ce qui concerne les matériaux dérivés de la pétrochimie.
L’avantage de l’adaptation des caractéristiques structurelles est un avantage pour générer des propriétés de performance plus élevées ou des performances fonctionnelles plus spécialisées. La biosynthèse et l’élimination des biopolymères peuvent être envisagées dans le cadre d’une boucle de ressources renouvelables, ce qui réduit les charges environnementales associées aux polymères synthétiques dérivés de produits pétrochimiques qui mettent souvent des centaines d’années à se dégrader.
De plus, les biopolymères peuvent souvent être produits à partir de matières premières agricoles à faible coût par rapport aux approvisionnements en pétrole et générer ainsi des produits à valeur ajoutée.
