Groupe Français des Glycosciences

Domaines d'action des glycosciences

Les Glycosciences en France

Fusion de la recherche traditionnelle en chimie et biochimie des glucides, les glycosciences étudient la nature, la fonction, les propriétés et les transformations des glucides (ou glycanes). Domaine scientifique en croissance rapide, les glycosciences s’inscrivent naturellement dans la compréhension des mécanismes moléculaires de la vie et contribuent à des domaines tels que la bio-ingénierie, la médecine, la nutrition, la science des matériaux et l’environnement.
Axée sur des pratiques, inter et transdisciplinaires, la communauté scientifique française regroupe plus de 500 chercheurs et ingénieurs, travaillant dans des unités de recherche et laboratoires sous tutelles publiques (Universités, CNRS, INRAE INSERM, CEA, IFREMER, …) ou industrielles.

Les glucides sont définis comme une classe de composés organiques contenant un groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) et au moins deux groupes hydroxyle (-OH). Ils constituent une classe de composés très hétérogènes, pour laquelle le terme de glycane ou glycanne décrit en l’englobant, la complexité.

Monosaccharide : composé organique formé à partir de carbone, d’hydrogène et d’oxygène (on parle d’hydrate de carbone). C’est un sucre simple, un ose.

Glycanes (ou glycannes) : molécules formées par la condensation de nombreuses molécules d’oses, par des liaisons osidiques.

Oligosaccharide (oligoside ou oligoholoside) : glycane comportant un nombre de molécules d’oses, (généralement inférieur à 10) de molécules d’oses.

Polysaccharides (polyoside ou polyholoside): glycane comportant un grand nombre de molécules d’oses.

Glycoconjugué : molécule dans laquelle un glycane est attaché de manière covalente, soit avec une protéine, (glycoprotéine) soit avec un lipide (glycolipide).

Voir : Les glucides : classifications et dénominations diverses, Dossier Thématique, Médecine des Maladies Métaboliques, 2018.

Santé

De nature et de composition extrêmement complexes, les glucides ont longtemps rebuté les biologistes, et malgré quelques applications pharmaceutiques et thérapeutiques, ils sont restés à l’écart des développements scientifiques et technologiques majeurs jusque dans les années 1960. Leur rôle clé en tant que messagers de l’information biologique n’est apparu que tardivement. Les glycoconjugués sont à la fois sécrétés et largement exprimés à la surface de toutes les cellules des organismes multicellulaires complexes. Ils sont impliqués dans un très grand nombre de processus biologiques tels que les interactions cellule-cellule, la transduction du signal, les processus inflammatoires, les métastases ou les infections virales ou bactériennes. Les glycoconjugués constituent de ce fait des cibles pour des interventions pharmacologiques pouvant aboutir à des médicaments capables, en particulier, d’empêcher sélectivement l’adhésion des acteurs biologiques impliqués.

Les glycanes qui appartiennent à la famille des glycoconjugués représentent des médicaments potentiels dans les traitements de cancers, de l’inflammation (chronique notamment), de maladies cardiaques, du diabète (type I et II), d’infections bactériennes et virales, de maladies neurologiques (épilepsie, maladie de Parkinson), ou des cibles potentielles pour des stratégies thérapeutiques (vaccins anti-cancer). Les glucides ont d’autres applications dans les domaines de la nutrition humaine et animale, et l’agriculture. Dans la majorité des exemples documentés à ce jour, les oligosides présentant une activité thérapeutique ne dépassent pas la taille d’un pentasaccharide.

Dans le cas des virus de la grippe, l’identification des interactions mises en jeu entre les glycoprotéines virales de surface, l’hémaglutinine (H) et la neuraminidase (N) et les structures glucidiques de l’hôte impliquées dans la pénétration du virus et de la libération des virions formés, a conduit à la synthèse de l’oseltamivir (Tamiflu) qui est un inhibiteur de la neuraminidase. L’exemple récent de l’infection par le SARS-CoV-2 illustre le rôle de protection qu’offre le manteau de glycanes de la protéine Spike, mais également le rôle spécifique joué par l’acide sialique de type 9-O-acétylé dans les interactions avec la protéine Spike.

Voir : Les sucres, nouvelle arme contre les infections, CNRS Le Journal, 2023.

Environnement et objectifs de développement durable

Les objectifs de développement durable édictés par les Nations Unies donnent la marche à suivre pour parvenir à un avenir meilleur et plus durable pour tous. Ils répondent aux défis mondiaux auxquels nous sommes confrontés, notamment ceux liés à la pauvreté, aux inégalités, au climat, à la dégradation de l’environnement, à la prospérité, à la paix et à la justice.  Les glycosciences participent pleinement à 8 des 17 objectifs de Développement Durable.

De par leur faible impact environnemental, les glycosciences contribuent aux développements de stratégies chimiques et biologiques qui concernent les domaines de la santé humaine et animale, des productions agricoles et forestières, ainsi que de nombreux pans de l’industrie chimique et manufacturière. L’impact environnemental n’est pas une propriété : c’est une grandeur qui se mesure et caractérise tout nouveau composé et le procédé mis en œuvre pour le produire. La structure intrinsèque de tous les glucides les destine, au travers d’interactions avec des micro-organismes, à la biodégradation, selon bien évidemment différents chemins métaboliques.
Dans ce contexte, on peut également distinguer des directions d’applications où la glycochimie peut être une source de « bio-inspiration » menée de minimisation de son empreinte carbonée. Cette chimie bio-inspirée est source d’innovations. En effet la multitude de rôles et de fonctions biologiques des carbohydrates offrent de nombreux modèles et ouvrent de nouvelles voies. Certaines concernent le développement des molécules et de stratégies non-polluantes dans la lutte contre des micro-organismes pathogènes. D’autres sont plus axées vers le développement de molécules et de composites à haute valeur ajoutée avec des applications dans les domaines de la chimie fine, de la santé, des matériaux de construction, d’ingrédients et additifs pour les industries agro-alimentaires, cosmétiques…

La bioéconomie est l’ensemble des activités économiques fondées sur les bioressources, c’est-à-dire les matières organiques terrestres ou marines, végétales, animales et bactériennes. C’est une économie fondée sur du carbone renouvelable, de la production à la transformation, jusqu’à la valorisation des coproduits et des biodéchets, tout en visant la sécurité alimentaire. Elle crée les conditions du passage d’une économie fondée sur les ressources fossiles à une économie fondée sur la biomasse. La biomasse est la base physique de la bioéconomie, le segment renouvelable de l'économie circulaire.  Une économie circulaire est un système économique dans lequel les produits et les services sont échangés en boucle fermée. Elle est générative de par sa conception, et vise à conserver autant de valeur que possible dans les produits et les matériaux.

En tant qu'élément neutre en CO2 du cycle du carbone, la biomasse est un puits de carbone efficace qui se concrétise sous la forme d’architectures dans lesquelles les polysaccharides (cellulose, de la chitine, de l’amidon, les polysaccharides extraits d’algues, et le saccharose, constituent la ressource la plus abondante. De par l’extraordinaire abondance et le renouvellement de leur production ainsi que de leurs diversités structurales ces polysaccharides offrent des développements qui s’inscrivent parfaitement dans la bioéconomie.

Voir : Des matériaux écolos bien sucrés, CNRS Le Journal, 2019.

Les glucides dans l'alimentation

Les glucides font partie des substances nutritives primordiales, avec les graisses et les protéines. Nous dépendons de l’énergie des glucides tant pour nos performances physiques que mentales. Différents groupes de glucides exercent des effets différents sur le corps, mais, le plus important est l’apport d’énergie. Un gramme de glucides apporte 4 kcal (kilocalories) d’énergie. Les glucides très répandus dans la nature, se trouvent essentiellement dans les aliments d’origine végétale, et en plus faible quantité, dans des produits animaux. Ils sont composés de chaînes d’oses plus ou moins longues.

Les glucides dépendent du nombre d’oses qui les constituent ; on distingue les mono- ; di- ; oligo- et polysaccharides. Les glucides peuvent être répartis en trois groupes : les sucres simples, les amidons et les fibres alimentaires.  Le sucre de ménage (saccharose), le sucre de fruits (fructose), le sucre de raisin (glucose, fructose) et le sucre de lait (lactose) sont les principaux représentants des sucres dits sains. Les trois premiers sont présents naturellement, dans les fruits et en plus faible quantité dans les légumes. Ils sont aussi employés pour édulcorer les plats et les boissons. Le lactose est le sucre présent dans le lait à l’état naturel, et donc dans les produits dérivés tels que le yogourt. Par contre, le fromage ne renferme peu, voire pas du tout de lactose. Le polysaccharide, amidon est présent dans de nombreux aliments essentiels, tels que les céréales (blé, riz, maïs, etc.) et les produits dérivés (pain, pâtes, flocons de céréales), les pommes de terre et certaines légumineuses. Les fibres alimentaires se composent de longues chaînes d’oses complexes. Difficiles à digérer, elles parviennent jusqu’au côlon où elles subissent une fermentation partielle par des bactéries. Ces fibres alimentaires jouent un rôle régulateur sur la digestion et offrent une sensation de satiété. Les farines de blé, les légumes, les fruits et les légumineuses constituent une excellente source de fibres alimentaires.

Quelle est la quantité de glucides dont nous avons besoin? En règle générale, les recommandations de la pyramide alimentaire aident à adopter une alimentation équilibrée et variée. La pyramide alimentaire met l'accent sur les fruits et légumes, les produits céréaliers, les pommes de terre et les légumineuses comme sources de glucides.

Apport global : par rapport aux trois sources alimentaires principales (lipides, protéines et glucides), les glucides doivent représenter la plus grande part de l’alimentation (env. 45 % à 55 % de l’apport énergétique quotidien). Cela correspond à une consommation quotidienne de 200 à 250 g de glucides pour une femme ayant un besoin énergétique d'environ 1800 kcal, tandis qu'un homme doit consommer 250 à 300 g de glucides par jour pour un besoin énergétique d'environ 2200 kcal. La consommation de glucides varie en fonction des dépenses énergétiques, par exemple lors d'une activité sportive. Cependant, la qualité des glucides revêt une importance supérieure à la quantité de l'apport.  En raison de leurs bienfaits pour la santé, il est recommandé de consommer une quantité importante de fibres alimentaires. Il est conseillé à un adulte de consommer 30 g de fibres alimentaires par jour.

Sucres : il est recommandé que les sucres ajoutés (comme le saccharose, le glucose, le fructose, ainsi que le sucre de miel et de jus de fruits) ne dépassent pas 10 % de l'apport énergétique. Par contre, on ne prend pas en considération les sucres naturels présents dans les aliments (par exemple, le sucre provenant des fruits, des légumes, du lait, du yogourt nature). Pour un adulte exerçant principalement une activité sédentaire et qui consomme environ 2000 kcal par jour, cela représente une consommation maximale de sucre d'environ 50 g par jour. Par exemple, on peut trouver cette quantité dans une bouteille de 5 litres de boisson sucrée. - Le fructose, notamment sous forme de sucre ménager, est absorbé par notre organisme. Les conséquences du fructose sur la santé suscitent des débats. Pour les personnes vulnérables (surpoids, inactivité physique, diabète, autres affections métaboliques), une consommation excessive de fructose peut avoir des conséquences néfastes sur la santé. Cependant, globalement, il est primordial de s'assurer d'une diminution de la consommation de sucres ajoutés plutôt que de se limiter au fructose seul.

Additifs et substituts de sucre : si la consommation d'aliments est équilibrée et variée, ils n'ont aucun impact négatif sur la santé. Les édulcorants et les substituts de saccharose peuvent être une option à faible teneur en calories et à protéger les dents par rapport au saccharose. Cependant, une consommation excessive de substituts sucrés peut exercer des effets laxatifs.

Matériaux

Qu’ils proviennent du monde végétal, animal ou bactériens, les polysaccharides remplacent de plus en plus les produits dérivés du pétrole et offrent des domaines d’applications interdits à ces derniers. L’ensemble de propriétés des polysaccharides (biocompatibles, biodégradables et biorésorbables) autorisent en effet leur utilisation dans de nombreux domaines : biomatériaux (ingénierie tissulaire), protection, vectorisation et libération contrôlée voire ciblée, de biomolécules (hormones, protéines, gènes), organes artificiels, microélectronique de pointe.

Dans leur ensemble, ces applications requièrent une maîtrise des structures aux différents niveaux d’organisations. Elles prennent leurs bases, à la fois sur la nature chimique des constituants, les différentes formes physiques qui peuvent en résulter (hydrogels, systèmes particulaires et/ou poreux), ainsi que la nature des interfaces. L’étude de ces macromolécules constitue une préoccupation majeure tant au niveau de la constitution et de l’élucidation structurale que de la caractérisation des propriétés et la mise en œuvre de leurs transformations. Les problématiques propres aux recherches dans le domaine des polymères glucidiques conjuguent à la fois celles issues de la physique, de la physico-chimie des systèmes macromoléculaires complexes et de la biologie structurale et fonctionnelle. Les avancées se heurtent, entre autres, à l’extrême complexité des analyses structurales, aux difficultés actuelles de bien maîtriser et contrôler les voies de biosynthèse, ainsi qu’au caractère poly-électrolytique très souvent marqué de ces macromolécules.

Voir : Les propriétés physicochimiques de polysaccharides bactériens anti-biofilm dévoilées, CNRS Terre & Univers, 2023.

Technologies de pointe

En complément des avancées réalisées pour l’étude des autres macromolécules biologiques, les glucides ont bénéficié de développements propres d’outils de caractérisation et d’analyse au cours de la dernière décennie. Citons parmi les plus génériques :

  • Instrumentation couplant la Chromatographie Liquide et la spectrométrie de masse
  • Puces à sucres pour l’identification des interactions glucides-protéines
  • Commercialisation d’anticorps dirigés contre des glucides
  • Criblage virtuel des interactions spécifiques impliquant des glucides
  • Imagerie cellulaire et d’organes entiers en utilisant des glucides marqués
  • Electrophorèse bidimensionnelle
  • Lectine blotting
  • Criblage des groupes sanguins
  • Agents de contraste
  • Nano-particules
  • Détecteurs de glycémie
  • Séquençage à haut débit des gènes impliqués dans la biosynthèse des glycanes
  • Nouvelles méthodes de synthèse de glucides pour la production de structures de références, ou de synthons

La nécessité de développer d’autres champs reste une préoccupation permanente, et plusieurs « technologies habilitantes» sont en voie de développement. Elles concernent les méthodes d’analyse et de séquençage, la synthèse automatique de glycanes complexes, la constitution de librairies de molécules à des fins de standards, l’élaboration de puces à sucres pour application dans les domaines du végétal et bactérien.

Les méthodes de chimie computationnelles (ab initio, mécanique/dynamique moléculaire, docking…) ainsi que les bases de données et leur interopérabilité, sous le nom de glyco-bio-informatique sont aussi des champs actifs de développement.

 

Actualités

29èmes journées du GFG

La 29ème édition des journées du GFG aura lieu du 27 au 31 mai 2024, à Obernai. C’est dans :

Visitez le site dédié de l’événement pour plus d’infos.

Site partenaire : Glycopedia

Retrouvez l’actualité des glycosciences et de nombreuses resources sur le site GlycoPedia.eu.