Développement de flavo-enzymes artificielles pour la chimie radicalaire et l’activation du dioxygène dans l’eau

Artificial flavoenzymes for radical chemistry and dioxygen activation in water.

• Auteur / Autrice : Yoan Chevalier
• Direction : Jean-Pierre Mahy, Frédéric Avenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 09/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Prim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Hecquet, Matthieu Raynal, Jean-Philippe Goddard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Hecquet, Matthieu Raynal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères biomimétiques

Flavines

Activation réductrice du dioxygène

Chimie bioorganique

Biocatalyse

Mots clés libres

Enzyme artificielle

Flavine

Catalyse

Oxydation

Artificial enzymes

Flavin

Catalysis

Oxidation

Résumé

Le sujet vise à développer des systèmes artificiels bio-inspirés capables de catalyser d'importantes réactions organiques dans l'eau, dans des conditions douces et en utilisant des réactifs inoffensifs tels que O2. Pour cela, nous envisageons de mimer les deux activités principales des flavoenzymes, qui sont capables de catalyser soit des réductions, en délivrant un flux monoélectronique à un partenaire biologique, soit des réactions d'oxydations, par activation réductrice du dioxygène, et ceci avec le même cofacteur flavinique, mais localisé dans différents échafaudages protéiques. Ce projet est basé sur des résultats obtenus récemment, démontrant que l'incorporation de cofacteurs flaviniques (FMN) dans un environnement localement hydrophobe (polyéthylèneimine modifié) peut générer une réductase artificielle capable de collecter des paires d'électrons de NADH et de délivrer des électrons célibataires à un partenaire redox tel que qu’une porphyrine de manganèse (III). Dans ce contexte, selon les conditions aérobies ou anaérobies, la flavine réduite de ces systèmes pourrait soit délivrer en solution des électrons célibataires pour initier des réactions radicalaires, soit activer le dioxygène pour effectuer des réactions oxydations (Baeyer-Villiger, sulfoxydation, époxydation …). Nous présentons ici les résultats obtenus pour les réactions de Baeyer-Villiger et de sulfoxydations réalisées dans l'eau en utilisant le premier système catalytique composé d’un cofacteur flavinique naturel (FMN) et d’un polymère fonctionnalisé pour activer directement le dioxygène de l'air dans des conditions douces. Nous démontrons également que le NADH peut soit être remplacé par un réducteur moins coûteux tel que l'ascorbate de sodium soit être recyclé en cours de catalyse grâce à la combinaison de notre système catalytique avec un formiate déshydrogénase naturel (FDH). Finalement, le système a également été testé pour initier des réactions radicalaires en conditions anaérobies.

The present project aims at developing bioinspired artificial systems capable of catalysing important organic reactions in water, under mild conditions and using harmless reactants such as O2. For this purpose, we are mimicking both activities of flavoenzymes, which are capable of catalysing either reduction reactions, by delivering single electrons to a biologic partner, or oxidation reactions, by the reductive activation of O2, This project is based on recent results, demonstrating that the incorporation of flavin cofactors (FMN) into the local microenvironment of a water-soluble polymer (modified polyethyleneimine), can generate an artificial reductase capable of collecting electron pairs from NADH and then delivering single electrons to redox partners such as a manganese (III) porphyrin. In this context, depending on the aerobic or anaerobic conditions, the reduced flavin of such systems could either deliver single electrons in solution to initiate radical chemistry reactions or activate dioxygen to perform catalytic oxidations (Baeyer-Villiger, sulfoxidation, epoxidation…). We Here, we demonstrate present the results obtained for the Baeyer-Villiger and sulfoxidation reactions performed in water using the first catalytic system utilizing based on a natural flavin cofactor to directly activate dioxygen from the air as the unique source of oxidant under mild conditions. In parallel, we present how NADH could can be replaced by a cheaper reductant such as the sodium ascorbate and how we managed to recycle NADH along the reaction thank to the combination of our catalytic system with a natural formate dehydrogenase (FDH). To conclude, the system has also been tested to initiate radical chemistry reactions under anaerobic conditions.