Phytase - Phytase
Une phytase ( myo- inositol hexakisphosphate phosphohydrolase) est tout type d' enzyme phosphatase qui catalyse l'hydrolyse de l'acide phytique (myo-inositol hexakisphosphate) - une forme organique non digestible de phosphore que l'on trouve dans de nombreux tissus végétaux, en particulier dans les céréales et les graines oléagineuses. – et libère une forme utilisable de phosphore inorganique. Alors que des phytases ont été trouvées chez les animaux, les plantes, les champignons et les bactéries, les phytases ont été le plus souvent détectées et caractérisées à partir de champignons.
Histoire
La première phytase végétale a été trouvée en 1907 à partir de son de riz et en 1908 à partir d'un animal ( foie et sang de veau ). En 1962 a commencé la première tentative de commercialisation de phytases à des fins d'amélioration de la nutrition animale lorsque International Minerals & Chemicals (IMC) a étudié plus de 2000 micro-organismes pour trouver les plus appropriés pour la production de phytase. Ce projet a été lancé en partie en raison des préoccupations concernant l'épuisement des sources exploitables de phosphore inorganique (voir pic de phosphore ), qu'IMC fournissait à l'époque à l'industrie de l'alimentation animale. La souche fongique Aspergillus ( ficuum ) niger NRRL 3135 (ATCC 66876) a été identifiée comme un candidat prometteur car elle était capable de produire de grandes quantités de phytases extracellulaires. Cependant, l'efficacité de l'organisme n'étant pas suffisante pour la commercialisation, le projet s'est terminé en 1968 comme un échec.
Pourtant, l'identification d' A. niger a conduit en 1984 à une nouvelle tentative avec des mutants d' A. niger réalisés avec la technologie de l' ADN recombinant relativement récente . Ce projet financé par l' USDA a été lancé par le Dr Rudy Wodzinski, qui participait auparavant au projet de l'IMC. Ce projet de 1984 a conduit en 1991 au premier gène de phytase partiellement cloné phyA (de A. niger NRRL 31235) et plus tard en 1993 au clonage du gène complet et à sa surexpression dans A. niger .
En 1991, BASF a commencé à vendre la première phytase commerciale produite à A. niger sous la marque Natuphos qui était utilisée pour augmenter la teneur en éléments nutritifs des aliments pour animaux .
En 1999, les phytases bactériennes d' Escherichia coli ont été identifiées comme étant plus efficaces que les phytases fongiques d' A. niger . Par la suite, cela a conduit à l'utilisation en alimentation animale de cette nouvelle génération de phytases bactériennes qui étaient supérieures aux phytases fongiques à bien des égards.
Des classes
Quatre classes distinctes de phytases ont été caractérisées dans la littérature : les phosphatases acides histidine (HAPS), les phytases bêta-hélices (BPP), les phosphatases acides pourpres (PAP) et, plus récemment, les protéines tyrosine phosphatase -like phytases (PTP-like phytases). .
Histidine acide phosphatases (HAP)
La plupart des phytases connues appartiennent à une classe d'enzymes appelées histidine phosphatases acides (HAP). Les HAP ont été isolés à partir de champignons filamenteux, de bactéries, de levures et de plantes. Tous les membres de cette classe de phytase partagent un motif de séquence de site actif commun (Arg-His-Gly-X-Arg-X-Pro) et ont un mécanisme en deux étapes qui hydrolyse l'acide phytique (ainsi que certains autres phosphoesters). La phytase du champignon Aspergillus niger est une HAP et est bien connue pour son activité spécifique élevée et son rôle commercialisé en tant qu'additif alimentaire pour animaux pour augmenter la biodisponibilité du phosphate de l'acide phytique dans les régimes à base de céréales de la volaille et du porc. Les HAP ont également été surexprimées dans plusieurs plantes transgéniques en tant que méthode alternative potentielle de production de phytase pour l'industrie de l'alimentation animale et très récemment, le gène de la phytase HAP d' E. coli a été exprimé avec succès chez un porc transgénique.
Phytases -hélices
Les phytases -hélices constituent une classe de phytase récemment découverte. Ces premiers exemples de cette classe d'enzymes ont été à l'origine clonés à partir d' espèces de Bacillus , mais de nombreux micro-organismes ont depuis été identifiés comme produisant des phytases -hélices. La structure tridimensionnelle de la phytase à hélice β est similaire à une hélice à six pales. Les recherches actuelles suggèrent que les phytases à hélice β sont les principales enzymes de dégradation des phytates dans l'eau et le sol, et peuvent jouer un rôle majeur dans le cycle phytate-phosphore.
Phosphatases acides violettes
Une phytase a récemment été isolée des cotylédons de graines de soja en germination qui possède le motif de site actif d'une phosphatase acide pourpre (PAP). Cette classe de métalloenzymes a été bien étudiée et les recherches dans les bases de données génomiques révèlent des séquences de type PAP chez les plantes, les mammifères, les champignons et les bactéries. Cependant, seule la PAP du soja s'est avérée avoir une activité phytase significative. La structure tridimensionnelle, le motif de séquence de site actif et le mécanisme de catalyse proposé ont été déterminés pour les PAP.
Phytases de type protéine tyrosine phosphatase
Seules quelques-unes des phytases connues appartiennent à une superfamille d'enzymes appelées protéines tyrosine phosphatases (PTP). Les phytases de type PTP, une classe de phytases relativement nouvellement découverte, ont été isolées de bactéries qui habitent normalement l'intestin des ruminants. Toutes les phytases de type PTP caractérisées partagent un motif de séquence de site actif (His-Cys-(X)5-Arg), un mécanisme de déphosphorylation acide-base en deux étapes et une activité envers les résidus tyrosine phosphrylés, caractéristiques communes à toutes Enzymes de la superfamille PTP. Comme de nombreuses enzymes de la superfamille des PTP, les substrats biologiques exacts et les rôles des phytases bactériennes de type PTP n'ont pas encore été clairement identifiés. Les phytases de type PTP caractérisées provenant de bactéries du rumen partagent une séquence et une homologie structurelle avec la phosphoinositide/-inositol phosphatase de type PTP de mammifère PTEN, et une homologie de séquence significative avec le domaine PTP d'une protéine de virulence sécrétée de type III de Pseudomonas syringae (HopPtoD2).
Caractéristiques biochimiques
Spécificité du substrat
La plupart des phytases présentent une large spécificité de substrat, ayant la capacité d'hydrolyser de nombreux composés phosphorylés qui ne sont pas structurellement similaires à l'acide phytique tels que l' ADP , l' ATP , le phosphate de phényle, le fructose 1,6-bisphosphate , le glucose 6-phosphate , le glycérophosphate et le 3-phosphoglycérate . Seules quelques phytases ont été décrites comme hautement spécifiques de l'acide phytique, telles que les phytases de Bacillus sp. , Aspergillus sp. , E. coli et les phytases appartenant à la classe des phytases de type PTP
Voies de déphosphorylation de l'acide phytique
L'acide phytique a six groupes phosphate qui peuvent être libérés par les phytases à des vitesses différentes et dans un ordre différent. Les phytases hydrolysent les phosphates de l'acide phytique par étapes, produisant des produits qui redeviennent des substrats pour une hydrolyse supplémentaire. La plupart des phytases sont capables de cliver cinq des six groupes phosphate de l'acide phytique. Les phytases ont été regroupées en fonction de la première position phosphate de l'acide phytique hydrolysé. Le Comité de nomenclature des enzymes de l'Union internationale de biochimie reconnaît trois types de phytases en fonction de la position du premier phosphate hydrolysé, à savoir la 3-phytase ( EC 3.1.3.8 ), la 4-phytase ( EC 3.1.3.26 ) et 5- phytase ( EC 3.1.3.72 ). A ce jour, la plupart des phytases connues sont des 3-phytases ou 4-phytases, seule une HAP purifiée à partir de pollen de lys et une phytase de type PTP de Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica ont été déterminés comme étant des 5-phytases .
Pertinence biologique
L'acide phytique et ses métabolites jouent plusieurs rôles importants dans les graines et les céréales, notamment l'acide phytique comme réserve de phosphore, comme réserve d'énergie, comme source de cations et comme source de myo-inositol (un précurseur de la paroi cellulaire). L'acide phytique est la principale forme de stockage du phosphore dans les graines de plantes et la principale source de phosphore dans les régimes à base de céréales utilisés dans les exploitations d'élevage intensif. Le phosphate organique présent dans l'acide phytique est en grande partie indisponible pour les animaux qui le consomment, mais le phosphate inorganique libéré par les phytases peut être facilement absorbé. Les animaux ruminants peuvent utiliser l'acide phytique comme source de phosphore car les bactéries qui habitent leur intestin sont des producteurs bien caractérisés de nombreux types de phytases. Cependant, les animaux monogastriques ne sont pas porteurs de bactéries qui produisent de la phytase. Par conséquent, ces animaux ne peuvent pas utiliser l'acide phytique comme source majeure de phosphore et il est excrété dans les selles. Cependant, les humains, en particulier les végétariens et les végétaliens en raison de l'adaptation accrue du microbiome intestinal, peuvent avoir des microbes dans leur intestin qui peuvent produire de la phytase qui décompose l'acide phytique.
L'acide phytique et ses métabolites ont plusieurs autres rôles importants dans les processus physiologiques eucaryotes . En tant que telles, les phytases, qui hydrolysent l'acide phytique et ses métabolites, ont également des rôles importants. L'acide phytique et ses métabolites ont été impliqués dans la réparation de l'ADN, le recyclage vésiculaire recouvert de clathrine , le contrôle de la neurotransmission et la prolifération cellulaire. Les rôles exacts des phytases dans la régulation de l'acide phytique et de ses métabolites et le rôle qui en résulte dans les processus physiologiques décrits ci-dessus sont encore largement inconnus et font l'objet de nombreuses recherches.
Il a été rapporté que la phytase provoque une pneumonie d'hypersensibilité chez un humain exposé lors de l'ajout de l'enzyme à l'alimentation du bétail.
Utilisations agricoles et industrielles
La phytase est produite par des bactéries présentes dans l'intestin des ruminants (bovins, ovins) leur permettant d'utiliser l'acide phytique présent dans les céréales comme source de phosphore. Les non-ruminants ( animaux monogastriques ) comme les êtres humains, les chiens, les porcs, les oiseaux, etc. ne produisent pas de phytase. La recherche dans le domaine de la nutrition animale a avancé l'idée de compléter les aliments avec de la phytase afin de mettre à la disposition de l'animal des nutriments liés aux phytates comme le calcium , le phosphore , les minéraux , les glucides , les acides aminés et les protéines . Au Canada, un porc génétiquement modifié appelé Enviropig, qui a la capacité de produire de la phytase principalement par ses glandes salivaires, a été développé et approuvé pour une production limitée.
La phytase est utilisée comme complément alimentaire pour animaux – souvent chez les volailles et les porcs – pour améliorer la valeur nutritive du matériel végétal en libérant du phosphate inorganique à partir de l'acide phytique (myo-inositol hexakisphosphate). La phytase peut être purifiée à partir de microbes transgéniques et a été produite récemment dans des plants de canola , de luzerne et de riz transgéniques .