Enzymatic processes for biodegradation of poly(hydroxyalkanoate)s crystals

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Abstract

Poly(hydroxyalkanoate)s (PHAs) have attracted much attention as environmentally compatible polymeric materials that can be produced from renewable carbon resources. Biodegradation of PHA materials occurs by the function of extracellular PHA depolymerase secreted from microorganisms. Thus, elucidation of the enzymatic degradation mechanism for PHA materials is important to design PHA materials with desirable properties and controlled biodegradability. The solid PHA polymer is a water-insoluble substrate but PHA depolymerases are soluble in water. Therefore, the enzymatic degradation of PHA materials is a heterogeneous reaction on the material's surface. Two distinct processes are involved during the degradation, namely, adsorption of the enzyme on the surface of PHA material and the subsequent hydrolysis of polymer chains. Atomic force microscopy (AFM) is a powerful tool that has been used for the quantitative analysis of PHA crystal degradation. AFM enables the characterization of the crystal surface nanostructure in a buffer solution. By using in-situ (real-time) AFM observations, we recently succeeded in observing the degradation processes of PHA crystals. Subsequently, we were also able to investigate the degradation rates of PHA crystals using the same technique. In this review, we have attempted to give an overview concerning the direct visualization of the adsorption, as well as the hydrolysis reactions of PHA depolymerases at the nanometer scale. In addition, we present other analytical techniques besides AFM as a complimentary approach to analyze the effect of enzyme adsorption on PHA crystals.

Les poly(hydroxyalcanoates) (PHA) attirent beaucoup d'attention en raison de la compatibilité avec l'environnement de ces produits polymères qui peuvent être obtenus à partir de ressources renouvelables de carbone. La biodégradation de ces PHA se produit par la fonction de la dépolymérase extracellulaire des PHA qui est sécrétée par les microorganismes. L'élucidation du mécanisme de la dégradation enzymatique des PHA est donc importante pour le développement des matériaux de type PHA comportant des propriétés désirables ainsi qu'un degré contrôlé de biodégradabilité. Le polymère PHA solide est un substrat insoluble dans l'eau alors que la dépolymérase de PHA est soluble dans l'eau. La dégradation enzymatique des matériaux apparentés au PHA est donc une réaction hétérogène sur la surface des matériaux. Deux processus distincts sont impliqués au cours de la dégradation, soit l'adsorption de l'enzyme sur la surface du PHA et une hydrolyse subséquente des chaînes de polymère. On a utilisé la puissance de la technique de microscopie des forces atomiques (MFA) pour faire une analyse quantitative de la dégradation des cristaux de PHA. La MFA permet de caractériser la nanostructure de la surface cristalline en solution tamponnée. En faisant appel à des observations de MFA in situ et en temps réel, on a récemment été capable d'observer le processus de dégradation des cristaux de PHA. Faisant appel à la même technique, on a ensuite été en mesure d'étudier les vitesses de dégradation des cristaux de PHA. Dans cette revue, on essaye de donner une vue d'ensemble concernant la visualisation directe de l'adsorption ainsi que les réactions d'hydrolyse des dépolymérases de PHA à l'échelle du nanomètre. On présente de plus de nouvelles techniques analytiques qui complémentent la MFA pour analyser l'effet de l'adsorption de l'enzyme sur les cristaux de PHA. Mots-clés: poly(hydroxyalcanoate), PHA, dégradation enzymatique, cristal lamellaire, dépolymérase de PHA.[Traduit par la Rédaction]

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