Caractérisation avancée de l'époxyde hydrolase recombinante Kau2 dérivée de l'ADN métagénomique et son application dans les réactions biocatalytiques

Further Characterization of Recombinant Epoxide Hydrolase Kau2 Derived from Metagenomic DNA and Application in Biocatalytic Reactions

• Auteur / Autrice : Wei Zhao
• Direction : Gilles Iacazio, Alain Archelas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 16/10/2014
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences chimiques (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires de Marseille (ISM2) - Institut des Sciences Moléculaires de Marseille / ISM2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désymétrisation (chimie)

Époxyde hydrolase soluble

Mots clés libres

Bioconversion

Kau2-EH

Epoxyde aromatiques 1,2-disubstitués

Résolution cinétique

Bioconversion

Kau2-EH

1,2-Disubstituted aromatic epoxides

Kinetic resolution

Résumé

Les chimistes organiciens disposent à l'heure actuelle des outils de la biocatalyse afin d'accéder aux produits de la chimie fine et en particulier à des synthons et des molécules optiquement enrichies. Dans ce cadre, le travail de thèse présenté dans ce mémoire a été conduit afin d'enrichir notre connaissance sur une époxyde hydrolase (EH) découverte après analyse métagénomique d'un bio-filtre. Afin de pouvoir mener une étude de mutagénèse dirigée de sorte à améliorer certaines propriétés de cette enzyme appelée Kau2-EH, un modèle de l'enzyme a été élaboré sur la base de la structure tridimensionnelle de l'EH de souris. Le choix de cette matrice fait suite à des études d'inhibition comparées visant à déterminer laquelle des trois EHs, dont la structure tridimensionnelle était connue (pomme de terre, souris, homme) et dont la séquence était proche de celle de Kau2-EH, présentait l’inhibition la plus proche de celle observée pour Kau2-EH. Il avait été montré précédemment que Kau2-EH présentait un intérêt en biocatalyse permettant une résolution cinétique quasi-parfaite de l'oxyde de trans-méthyl-styrène et une transformation énantioconvergente, elle aussi quasi-parfaite, de l'oxyde de cis-méthyl-styrène. Ainsi des études de bioconversion dédiées à l'évaluation de la diversité des substrats de Kau2-EH ont été réalisées. Cette enzyme se révéla être particulièrement performante lors de l'utilisation d'époxydes cis- et trans-1,2-disubstitués portant sur un des atomes de carbone de la fonction époxyde un groupement phényle ou p-méthoxy-phényle et sur l'autre un groupement variable (méthyl- ou éthyl-ester, cyano, bromo- ou chloro-méthyle, phényle). Pour neuf des dix substrats testés des énantiosélectivités très élevées ont été trouvées permettant des résolutions cinétiques quasi-parfaites de huit d'entre eux et la désymétrisation quasi-parfaite du neuvième. Seul le cis-méthyl-glycidate ne fut pas un substrat de Kau2-EH. Dans les neufs cas précédents une réaction préparative à l'échelle du gramme a pu être conduite à très haute concentration en substrat (de 25 à 75 g/L) et sur une courte période de temps (de 1 à 4h) sauf pour l'oxyde de cis-stilbène (24 h). Finalement et afin d'accéder aux constantes cinétiques fondamentale, une étude préliminaire de « stopped-flow » du comportement de Kau2-EH a été réalisée en utilisant l'oxyde de trans-stilbène comme substrat.

Biocatalysis is nowadays an important tool available to organist chemist to get access to fine chemicals and especially enantiomerically enriched synthons and molecules. Within this framework, the PhD work described in this dissertation was conducted in order to get insights about a newly discovered epoxide hydrolase (EH) from a metagenomic analysis of a biofilter. In order to conduct directed mutagenesis on the so-called Kau2-EH, a model of the enzyme was constructed based on the 3D structure of murine EH. The choice of this template was dictated by comparative inhibition studies aimed at differentiating three otherwise closely Kau2-sequence-related EHs with known crystal structure (potato-, murine- and human-EHs) and showing inhibition behavior the closest to the one found for Kau2. The enzyme was previously shown to display interesting biocatalytic properties such a nearly perfect kinetic resolution of trans-methyl-styrene-oxide and a nearly perfect enantioconvergent transformation of cis-methyl-styrene-oxide. Thus, bioconversion studies dedicated to the evaluation Kau2-EH substrate chemical space were undertaken. The enzyme proved to be particularly useful when using 1,2-disubstituted cis- or trans-aromatic epoxides bearing an aromatic ring (phenyl, p-methoxy-phenyl) on one of the epoxide-bearing carbon atom and various chemical groups (methyl- or ethyl-esters, cyano, chloro- or bromo-methyl or phenyl) on the second carbon atom. For nine of the ten tested substrates very high enantioselectivities were observed allowing nearly perfect kinetic resolutions of eight of them and a nearly perfect desymmetrization of the ninth. Only cis-methyl-glycidate proved to be not a substrate of Kau2-EH. In the all other nine cases a preparative scale reaction could be conducted on the 1g scale, at high to very high substrate concentration (25 to 75 g/L) and in short periods of time (1 to 4h) except for cis-stilbene-oxide (24 h). Finally and in order to get access to fundamental kinetic constants, a preliminary stopped-flow analysis of Kau2-EH behavior was undertaken using trans-stilbene-oxide as substrate.