Nouvelles métalloenzymes artificielles obtenues par couplage covalent de complexes métalliques dans une protéine naturelle (Xylanase A) et dans des protéines artificielles (αReps)

par Kalani Kariyawasam Bowithanthri

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jean-Pierre Mahy et de Rémy Ricoux.

Le président du jury était Ally Aukauloo.

Le jury était composé de Jean-Pierre Mahy, Rémy Ricoux, Bernard Boitrel, Stéphane Ménage, Jean-Luc Boucher.

Les rapporteurs étaient Bernard Boitrel, Stéphane Ménage.


  • Résumé

    Dans un contexte de développement durable, les enzymes sont des outils biologiques puissants pour catalyser des réactions avec de très grandes efficacités et spécificités. Inspirée des enzymes et de la catalyse organométallique, l’élaboration de métalloenzymes artificielles émerge depuis plusieurs années comme une stratégie de choix pour fournir aux chimistes de nouveaux biocatalyseurs, en accord avec les principes de la chimie verte. Elles sont construites par l’insertion par interactions supramoléculaires ou couplage covalent, d’un ion ou d’un complexe métallique au sein d’une protéine, qui leur apporte un environnement hydrophobe protecteur et chiral. Lors de cette thèse, plusieurs métalloenzymes artificielles ont été construites par couplage covalent de complexes métalliques dans deux protéines hôtes, qui sont la Xylanase A (Xln) et les protéines artificielles de la famille des Reps. Dans un premier temps, une hydrogénase artificielle a été construite dans le mutant XlnS212C par ancrage covalent d’un complexe de fer appelé complexe de Knölker. L’hydrogénase artificielle obtenue, XlnS212CK, s’est avérée capable de catalyser l’hydrogénation par transfert d’hydrure de la trifluoroacétophénone, TFAC, sans excès énantiomérique. Dans un second temps, quatre Diels-Alderases artificielles ont été construites à partir de la protéine bidomaine (A3_A3’) de la famille des αReps. Les deux meilleures Diels-Alderases, qui ont conduit respectivement au meilleur rendement et la meilleure énantiosélectivité dans la réaction de l’azachalcone sur le cyclopentadiène, ont été élaborées respectivement par fixation covalente de complexe de cuivre de ligands phénanthroline et terpyridine dans un mutant F119C de A3_A3’ : (A3_A3’)F119Phen-Cu(II) et (A3_A3’)F119Terpy-Cu(II). Finalement, une nouvelle hémoprotéine artificielle a été construite par couplage covalent de la méso-tétraphénylporphyrine de manganèse Mn(III)TPP-NHMal dans le mutant (A3_A3’)Y26C. L’hémoprotéine artificielle formée BH MnTPP seule ne montre aucune activité catalytique pour l’oxydation de co-substrats par H2O2. Cependant, de manière inattendue, l’addition d’imidazole et d’une autre protéine αRep, bA3-2, qui se fixe de manière spécifique sur A3_A3 et provoque son ouverture, permet non seulement de déclencher l’activité peroxydase de BH MnTPP, mais également une activité monooxygénase qui catalyse la sulfoxydation du thioanisole par H2O2. Il s’agit du premier exemple décrit à ce jour de métalloenzyme artificielle dont l’activité peut être induite par la fixation d’une protéine partenaire.

  • Titre traduit

    New artificial metalloenzymes obtained by covalent coupling of metal complexes in a natural protein (Xylanase A) and in artificial proteins (αReps)


  • Résumé

    In a context of sustainable development, enzymes are powerful biological tools to catalyze reactions with very high efficiencies and specificities. Inspired by enzymes and organometallic catalysis, the development of artificial metalloenzymes has emerged for several years as a strategy of choice to provide the chemists with new biocatalysts, in accordance with the principles of green chemistry. They are constructed by the insertion by supramolecular interactions or covalent coupling of an ion or a metal complex within a protein, which provides them with a protective and chiral hydrophobic environment. In this thesis, several artificial metalloenzymes were constructed by covalent coupling of metal complexes into two host proteins, Xylanase A (Xln) and artificial proteins of the Reps family. Initially, an artificial hydrogenase was constructed in the XlnS212C mutant by covalent anchoring of an iron complex known as the Knölker complex. The artificial hydrogenase obtained, XlnS212CK, was found to be capable of catalyzing hydride hydrogenation of trifluoroacetophenone, TFAC, without enantiomeric excess. In a second time, four artificial Diel-Alderases were constructed from the bidomain protein (A3_A3') of the αReps family. The two best Diels-Alderases which led respectively to the best yield and the best enantioselectivity in the reaction of azachalcone on cyclopentadiene were developed respectively by covalent attachment of copper complex of phenanthroline and terpyridine ligands in a mutant F119C of A3_A3' (A3_A3')F119Phen-Cu (II) and (A3_A3')F119 Terpy-Cu (II). Finally, a new artificial hemoprotein was constructed by covalent coupling of the manganese meso-tetraphenylporphyrin Mn(III)TPP-NHMal in the (A3_A3')Y26C mutant. The artificial hemoprotein formed BH-MnTPP alone shows no catalytic activity for the oxidation of co-substrates by H2O2. However, unexpectedly, the addition of imidazole and another αRep protein, bA3-2, which binds specifically to A3_A3’ and causes it to be opened, not only triggers the BH-MnTPP peroxidase activity but also a monooxygenase activity which catalyzes the sulfoxidation of thioanisole by H2O2. This is the first example described to date of artificial metalloenzyme whose activity can be induced by the attachment of a partner protein.



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