Processus Fondamentaux de la Photochimie des Flavoprotéines

Fundamental Processes in Flavoprotein Photochemistry

• Auteur / Autrice : Bo Zhuang
• Direction : Marten H. Vos, Alexey Alexandrov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Michel Sliwa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marten H. Vos, Alexey Alexandrov, Johanna Brazard, Antonio Monari, Pavel Müller
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Johanna Brazard, Antonio Monari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Flavoprotéines

Photochimie organique

Biophysique

Mots clés libres

Flavoprotéines

Photochimie

Spectroscopie optique resolue en temps

Simulation numérique

Flavoproteins

Photochemistry

Time-Resolved optical spectroscopy

Computer simulation

Résumé

Les flavines sont des dérivés de la vitamine B2 qui forment un groupe de chromophores très polyvalents présents dans une grande variété d'enzymes et de protéines photoréceptrices. Elles peuvent adopter trois états redox différents avec divers états de protonation, menant à au moins cinq formes physiologiquement pertinentes, avec des spectres d'absorption électronique distincts. Malgré les propriétés photophysiques diverses des cofacteurs flavine, il n'y a que très peu de flavoprotéines naturellement photoréactives. La grande majorité des flavoprotéines remplissent des fonctions physiologiques non générées par la lumière (''non-photoactives''), bien que des réactions d'oxydoréduction photo-induites ultra-rapides et réversibles entre les flavines et les résidus proches s’y produisent largement, ce qui peut être considéré comme ''auto-quenching'' photo-protectrice. Ces dernières décennies, l'étude des flavoprotéines a connu un essor pour leurs applications photocatalytiques et photo-biotechnologiques. De plus, une nouvelle approche émergeant dans le développement de nouveaux photocatalyseurs à partir de flavoenzymes canoniques ''non-photoactives'' utilise la photochimie de flavines réduites au lieu de l'état de repos oxydé. En outre, des implications pratiques de la photochimie d'espèces de flavine encore différentes sont envisagées, mais une compréhension fondamentale de leurs mécanismes est requise. Dans cette thèse, par l'application de spectroscopie d'absorption et de fluorescence ultrarapide combinée avec des simulations moléculaires et d’approches de chimie quantique, une variété de processus photochimiques fondamentaux dans les flavoprotéines est étudiée. Tout d'abord, la photoréduction des flavines oxydées a été revisitée dans une flavoprotéine, la ferrédoxine-NADP+ oxydoréductase (FNR), ayant des configurations des réactifs très compactes, permettant la formation ultrarapide de paires de radicaux intermédiaires. La combinaison de techniques expérimentales et de modélisation a permis une évaluation détaillée de l'influence de l'environnement sur les propriétés spectrales des radicaux anioniques de flavine et cationiques d'acide aminé (tyrosine ou tryptophane). Par ailleurs, nous avons étudié la photochimie de flavines liées aux protéines dans différents états chimiques largement inexplorés dans la littérature. Il est démontré que la photooxydation des radicaux anioniques de flavine, qui agissent comme des intermédiaires de réaction dans de nombreuses réactions biochimiques, se produit efficacement en ~100 fs dans plusieurs flavoprotéines oxydases. Ce processus, qui est effectivement l'inverse de la photoréduction bien connue de la flavine oxydée, pourrait constituer une voie de désactivation universelle. Les propriétés de l'état excité des flavines complétement réduites ont été étudiées dans plusieurs systèmes FNR où elles sont impliquées comme intermédiaires fonctionnels, et comparées à celles en solution. Des informations précieuses concernant leurs structures électroniques et la flexibilité des flavines ont été obtenues et comparées avec des simulations atomiques, avec des implications catalytiques importantes. Enfin, un phénomène de photo-dissociation sans précédent a été révélé pour un complexe de transfert de charge non covalent de la flavine et d'un inhibiteur dans la flavoenzyme sarcosine oxydase monomérique. Ce processus se produit sur une échelle de temps de quelques centaines de femtosecondes et peut être attribué à une isomérisation photoinduite bien définie de l'inhibiteur. Dans l'ensemble, les résultats décrits, qui incluent la découverte de deux processus photochimiques jusqu'alors non documentés dans les flavoprotéines, élargissent le répertoire de la photochimie impliquant des cofacteurs de flavine. Ce travail peut ouvrir de nouvelles voies pour l'exploration de la photochimie des flavines avec, à terme, des implications pratiques possibles comme nouveaux photocatalyseurs et outils optogénétiques.

Flavins are derivatives of vitamin B2 that form a highly versatile group of chromophores found in a large variety of enzymes and photoreceptor proteins. They can adopt three different redox states with various protonation states, leading to at least five physiologically relevant forms, with distinct electronic absorption spectra. Despite the diverse photophysical properties of the flavin cofactors, there are only very few natural photo-responsive flavoproteins. The vast majority of flavoproteins perform non-light-driven physiological functions (“non-photoactive”), although ultrafast, reversible photoinduced redox reactions between flavins and surrounding residues still widely occur in these systems, which can be viewed as photo-protective “self-quenching”. The past few decades have seen a blooming in the study of flavoproteins for their photocatalytic and photo-biotechnological applications. Moreover, a newly emerging approach in the development of novel photocatalysts from canonical “non-photoactive” flavoenzymes is making use of the photochemistry of reduced flavins instead of the oxidized resting state. Furthermore, practical implications of photochemistry of yet different flavin species are envisaged, but a basic understanding of their mechanisms is still required. In this thesis, applying ultrafast absorption and fluorescence spectroscopy combined with molecular simulations and quantum chemistry approaches, a variety of fundamental photochemical processes in flavoproteins is investigated. First the photoreduction of oxidized flavins was revisited in a flavoprotein, ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR), with closely packed reactant configurations, allowing ultrafast formation of intermediate radical pairs. Combining experimental and modeling techniques allowed a detailed assessment of the influence of the environment on the spectral properties of both the anionic flavin and the cationic amino acid (tyrosine or tryptophan) radicals. We further investigated the photochemistry of protein-bound flavin species in different chemical states that are largely unexplored in the literature. It is demonstrated that photooxidation of anionic flavin radicals, which act as reaction intermediates in many biochemical reactions, efficiently occurs within ~100 fs in several flavoprotein oxidases. This process, effectively the reverse of the well-known photoreduction of oxidized flavin may constitute a universal decay pathway. The excited-state properties of fully reduced flavins were studied in several FNR systems where they are involved as functional intermediates, and compared with those in solution. Valuable information concerning their electronic structures and the flavin flexibility was obtained and compared with atomic simulations, with important catalytic implications. Finally, an unprecedented photo-dissociation phenomenon was revealed for a non-covalent charge transfer complex of flavin and a inhibitor in the flavoenzyme monomeric sarcosine oxidase. This process occurs on the timescale of a few hundred femtoseconds and can be attributed to a well-defined photoinduced isomerization of the inhibitor. Altogether, the described findings, which include the discovery of two hitherto undocumented photochemical processes in flavoproteins, expand the repertoire of photochemistry involving flavin cofactors. This work may open new avenues for the exploration of flavin photochemistry with ultimately possible practical implications as novel photocatalysts and optogenetic tools.