Contrôle de l’activité L-asparaginase de l’échelle d’une cellule individuelle à un consortium bactérien

Control of L-asparaginase activity for single cell to bacterial consortium

• Auteur / Autrice : Mickaël Morvan
• Direction : Jean-Christophe Baret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de la matière condensée
• Date : Soutenance le 12/12/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Gibon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Baret, Yves Gibon, Magali Remaud, Damien Faivre, Claire Stines-Chaumeil, Manfred Konrad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Remaud, Damien Faivre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enzymes

Microfluidique

Lutte contre

Leucémie aigüe lymphoblastique

Emploi en thérapeutique

Asparaginase

Mots clés libres

Asparaginase

Expression de protéines

Essais enzymatiques

Criblage enzymatique

Évolution dirigée

Microfluidique

Asparaginase

Proteins expression

Enzyme assay

Enzymatic screening

Directed evolution

Microfluidic

Résumé

La L-asparaginase est une enzyme d’intérêt thérapeutique pour le traitement des leucémies aigües lymphoblastiques participant à l’hydrolyse de son substrat naturel L-asparagine conduisant à l’apoptose des cellules cancéreuses. À ce jour, la L-asparaginase d’origine bactérienne fait partie intégrante des formulations car possédant des activités catalytiques élevées mais provoquant de nombreux effets secondaires liés à une immunogénicité. Trois enzymes avec une activité Lasparaginase produites chez l’homme ont été découvertes récemment mais possèdent des activités catalytiques qui sont 1000 à 2000 fois inférieures aux enzymes d’origine bactérienne. Augmenter l’activité catalytique de ces enzymes par évolution dirigée pourraient permettre leurs utilisations en thérapeutique en plus de potentiellement participer à la réduction de l’immunogénicité chez les patients. Ces travaux de doctorat décrivent le développement d’outils pour l’expression etla détection de l’activité L-asparaginase à l’échelle d’une cellule individuelle. La L-asparaginase d’E. coli, utilisée en thérapeutique, a servi de référence et a permis de démontrer que le test AUR est le plus adapté pour la mesure de l’activité en microfluidique. L’expression de l’enzyme à partir de différents vecteurs d’expression a montré que l’expression périplasmique semble la plus adaptée pour le ciblage permettant un bon rendement et une bonne accessibilité pour le substrat. La viabilité des cellules à l’issu des mesures a été aussi démontrée. Ces outils pourront être directement utilisés pour le criblage de banques de mutants de L-asparaginase d’origine humaine en microfluidique. Les propriétés de la L-asparaginase ont aussi été utilisées pour démontrer la potentielle utilisation de billes de silice en tant que biocatalyseurs où sont confinées des bactéries. Ces billes sont des excellents supports pour la croissance de microorganismes qui peuvent rester viables au-delà d’une semaine. L’expression d’enzymes peut être induite et l’activité catalytique être aisément contrôlée en faisant varier la concentration bactérienne au sein du matériau. La combinaison de différentes populations bactériennes offre la possibilité d’effectuer des réactions en cascade. Le recyclage de ces billes pour différents cycles de réactions a également été démontré. Ces matériaux bioactifs peuvent avoir de nombreuses applications dans le domaine des biotechnologies.

L-asparaginase is an enzyme of therapeutic value for the treatment of acute lymphoblastic leukemia. Ths enzyme catalyzes the hydrolysis of L-asparagine conducting to apoptosis of cancer cells. To date, L-asparaginase of bacterial origine is used in the treatments due to high catalytic activities but causing a number of side effects linked with an immunogenicity. The human produces three enzymes with L-asparaginase activity but their catalytic activities are 1000 to 2000 times lower than the bacterial enzymes. Increase the catalytic activity of these enzymes by directed evolution could allow their uses in therapeutic in addition to potentially reduce immunogenicity in patients. This PhD work describes the development of tools for expression and detection of L-asparaginase at the single cell level for their applications in the screening of human L-asparaginase libraries in microfluidic. E. coli L-asparaginase, used in therapy, served as a reference and allowed to demonstrate that AUR assay is most suitable for measuring activity in microfluidic. Expression of the enzyme from different expression vectors showed that the periplasmic expression seems to be the most successful for screening enabling a good yield and good accessibility for the substrate. The viability of the cells following the measures has been shown. These tools might be used for the screening of mutants libraries of human L-asparaginases in microfluidic. The properties of L-asparaginase were also used to demonstrate the potential use of silica beads as biocatalysts in which bacteria are confined. These beads are excellent supports for the growth of microorganisms which may remain viable beyond one week. The expression of the enzymes may be induced and the catalytic activity can be reliably controlled by varying the concentration of bacteria within the material. The combination of various bacterial populations provides the possibility to carry out cascades reactions. The recycling of these beads for several cycles of reactions was also demonstrated. These bioactive materials have many potential applications in the field of biotechnologies.