Monooxygénases à flavine à deux composantes : quelles solutions pour le transfert d'hydrures lors de réactions biocatalysées

Chemical hydride transfer for flavin dependent monooxygenases of two-component systems

• Auteur / Autrice : Robert Röllig
• Direction : Véronique Alphand, Selin Kara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance le 06/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Aarhus universitet (Danemark)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires de Marseille (ISM2) - Biocatalysis and Bioprocessing (Aarhus University)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Tron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas William Seviour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jan Deska, Willem JH Van Berkel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flavoprotéines

Monooxygénases

Hydrures

Biocatalyse

Mots clés libres

Enzymes flavin dépendantes

Baeyer-Villiger monooxygenase de type II

Transfert d’hydrure

Effet de temperature

Analogues biomimétiques de nicotinamide

Shape language modeling

[Cp*Ir(bpy-OMe)H]+

Flavin hydroquinone dependent Enzymes

Type II Baeyer-Villiger monooxygenase

Hydride transfer

Temperature effect

Nicotinamide biomimics (NCB)

Shape language modeling

[Cp*Ir(bpy-OMe)H]+

Résumé

Le terme monooxygénases flavoprotéiques (flavoprotein monooxygenases FPMO) recouvre aussi bien des flavoenzymes formées d’une seule composante que de deux. L'indépendance fonctionnelle de la partie oxygénase de la 2,5-dicétocamphane 1,2-monooxygénase I (2,5-DKCMO), une Baeyer-Villiger monooxygénase de type II, FMN dépendante, de sa contrepartie réductase, ainsi que le mécanisme de transfert de la flavine par libre diffusion, ont été étudiés dans des réactions sans réductase mais où des analogues biomimétiques synthétiques de nicotinamide (NCB) ont été utilisés pour réduire le FMN. L'équilibre entre la réduction de la flavine et la (ré)oxydation enzymatique a été identifié comme le goulot d'étranglement du système. Dans le but de trouver des donneurs d'hydrure potentiellement rentables pour les réactions d'oxydoréduction enzymatique, des stratégies de réduction de la flavine, indépendantes des cofacteurs nicotinamide naturels et biomimétiques, ont été étudiées. La capacité d’un complexe d’iridium III à transférer des hydrures afin de réduire la flavine a été exploitée. [Cp*Ir(bpy-OMe)H]+ (Ir* (H+)), résistant au pH et à l'oxygène, a permis la réaction enzymatique de monooxygénases respectivement FMNH2 et FADH2 dépendantes, 2,5-DKCMO et la styrène monooxygénase de sphingopyxis fribergensis Kp.5.2 (SfStyA). L’utilisation du système Ir* (H+)/SfStyA a conduit à une augmentation de six fois de l’état de l’art en terme de turn over number (TON) d’un catalyseur métallique. Cependant des améliorations sont encore nécessaires pour confirmer cette approche comme un accès prometteur à une plate-forme technologique efficace et versatile, pour l’utilisation de flavoenzymes

The term flavoprotein monooxygenases (FPMO) covers two different types of flavoenzymes: single and two component oxygenases. Two component FPMOs consist of a reductase and an oxygenating enzyme. The functional independence of the oxygenase part of 2,5-diketocamphane 1,2-monooxygenase I (2,5 DKCMO), an FMN dependent type II Baeyer-Villiger monooxygenase, from the reductase counterpart, as well as the mechanism of flavin transfer by free diffusion, was investigated in a reductase-free reaction, using synthetic nicotinamide biomimetics (NCBs) for the reduction of FMN. The balance of flavin reduction and enzymatic (re)oxidation was identified as the bottleneck of the system. Aiming for potentially cost efficient hydride donors for enzymatic redox reactions, nicotinamide coenzyme and nicotinamide biomimetic independent flavin reduction strategies were investigated. The capability of the pH and oxygen robust iridium III complex [Cp*Ir(bpy-OMe)H]+ (Ir* (H+)) to transfer hydrides for flavin reduction for the enzymatic reaction of respectively FMNH2 and FADH2 dependent monooxygenases, 2,5 DKCMO and styrene monooxygenase from Sphingopyxis fribergensis Kp.5.2 (SfStyA) was exploited. The Ir* (H+)/SfStyA approach outperformed the state of the art system by six-fold in terms of turn over number of the metal catalyst. Nevertheless, the robustness of the system remains challenging, and improvements are required to establish the approach as an efficient and versatile platform technology for flavoenzymes