Etude des sites métalliques et modélisation de la réactivité des métallo-β-lactamases par des calculs de chimie quantique

par Malek Bou Kallaba

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Dorothée Berthomieu et de Boutheïna Kerkeni.


  • Résumé

    Les métallo-β-lactamases sont des enzymes qui confèrent aux bactéries qui les synthétisent une résistance aux antibiotiques. La classe B représente les β-lactamases, dans lesquelles le site actif contenant un ou deux atomes de Zn favoriserait l'hydrolyse des antibiotiques. La dégradation des antibiotiques par les enzymes bactériennes est un mécanisme majeur de résistance. L’objectif de ce travail de thèse est de mettre en œuvre des outils de modélisation fondés sur des méthodes de mécanique quantique en vue de déterminer les structures de métallo-β-lactamases avec des inihibiteurs, étape nécessaire pour comprendre ultérieurement quels sont les mécanismes de réaction favorisant la dégradation d’un inhibiteur par des métallo-β-lactamases et fournir des informations qui serviront à mieux interpréter les phénomènes biologiques.Nous avons tout d’abord déterminé les géométries et la stabilité de complexes de coordinations métalliques de systèmes modèles contenant du Zn, comme dans les sites métalliques des métallo-β-lactamases, ou du Cu, complexés à des histidines coordonnées par les Nπ ou Nτ, afin de voir s’il y a une préférence géométrique pour l’une ou l’autre des deux coordinations et voir l’influence de ces différentes coordinations possibles sur les paramètres géométriques au niveau du site métallique. Enfin la présence d’eau et l’influence du solvant aqueux a été étudiée. Grâce à ces méthodes de chimie quantique fondées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous avons montré comment ces méthodes permettent d’avoir des informations structurales sur la symétrie adoptée par les centres métalliques, du Zn2+ et du Cu2+. Cette étude structurale nous a permis de mettre en évidence des différences structurales entre ces deux ions métalliques et de déterminer les spectres vibrationnels. Ces investigations nous ont permis de mettre en évidence la nature des liaisons métal-ligand grâce à des approches topologiques. Nous avons montré que ces études préliminaires nous ont permis de choisir la meilleure méthode de calculs DFT pour étudier des centres à zinc dans des structures de β-lactamases.Pour compléter l’étude de structures de métallo-β-lactamases, nous avons déterminé la structure de l’enzyme native L1 (β-lactamase) qui a permis de reproduire les paramètres géométriques des structures expérimentales de L1. Nous avons montré que l’approche combinant des études quantiques et classiques (QM/MM) permet de reproduire avec une très bonne confiance les paramètres structuraux de sites actifs de l’enzyme L1.Enfin, nous avons déterminé les structures de certains sites actifs de la famille B3 des Métallo-β lactamases (Enzyme L1) pour comparer les affinités de différentes familles d’inhibiteurs synthétisées à l’IBM de Montpellier (Institut des Biomolécules de Montpellier) et prédire la structure possible de L1 avec différents inhibiteurs par des méthodes QM/MM pour voir si cette stratégie pourra être appliquée à d’autres inhibiteurs pour des métallo-β-lactamases.

  • Titre traduit

    Study of metallic sites and modelling the reactivity of metallo-β-lactamases by quantum chemical calculations.


  • Résumé

    Metallo-β-lactamases are enzymes that give the bacteria that synthesize them antibiotic resistance. B Class represents the beta-lactamases, wherein one or two Zn atom(s) promote(s) β-lactams (antibiotics) hydrolysis. The major resistance mechanism is the degradation of the β-lactams by bacterial enzymes called β-lactamases. One major approach to overcome this resistance deals with combination therapy in which a β-lactam drug is given along with a β-lactamase inhibitor, which protects the former from inactivation. The objective of this thesis is to implement modeling tools based on quantum mechanical methods to determine metallo-β-lactamase structures with inhibitors, a step necessary to understand at a later stage the mechanisms of response to the degradation of the inhibitor by β-lactamases and to provide information that will serve to better interpret biological phenomena.We have first determined the geometries and the stability of metal coordination complexes of model systems containing Zn, as in the metallo-β-lactamase metal sites, or Cu, complexed to histidines coordinated by Nπ or Nτ, in order to see if there is a geometric preference for one or the other of the two coordination’s and to see the influence of these different possible coordination’s on the geometrical parameters at the metallic site. Finally, the presence of water and the influence of the aqueous solvent were studied. Using these methods of quantum chemistry based on the density functional theory, we have shown how these methods provide structural information on the symmetry adopted by the metallic centers of Zn2 + and Cu2 +. This structural study allows us to demonstrate structural differences between these two metal ions and to determine the vibrational spectra. These investigations were able to demonstrate the nature of the metal-ligand bonds through topological approaches. We have shown that these preliminary studies have conducted us to choose the best method of DFT calculations for studying zinc centers in β-lactamase structures.To complete the study of metallo-β-lactamase structures, we have determined the structure of the native enzyme L1 (β-lactamase) which permitted to reproduce the geometric parameters of the experimental structures of L1. We have shown that the combination of quantum and classical approaches (QM/MM) allows to reproduce with very good confidence the structural parameters of the L1 enzyme active sites.Finally, we have determined the structures of certain active sites in the B3 family of Metallo-β lactamases (Enzyme L1) to compare the affinities of different families synthesized at IBM in Montpellier (Institute of Biomolecules of Montpellier) and to predict the possible structure of L1 with different inhibitors by QM / MM methods to see if this strategy can be applied to other inhibitors for metallo-β-lactamases.


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