Approche biocatalytique pour la synthèse de lactames

Biocatalytic approach to lactam synthesis

• Auteur / Autrice : Océane Touré
• Direction : Anne Zaparucha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 01/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry Val d'Essonne
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génomique métabolique (Evry, Essonne ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Joseph
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Moulis, Rénato Froidevaux, Egon Heuson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Moulis, Rénato Froidevaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lactames

Amides

Biocatalyse

Biocatalyse

Mots clés libres

Biocatalyse

Lactames

Structure 3D protéine

CoA ligases

Amide

Biocatalysis

Lactams

Protein 3D structure

CoA ligases

Amide

Résumé

La biotechnologie est maintenant bien établie dans le paysage de l'industrie chimique. Dans le domaine de la biocatalyse, il existe de nombreux exemples de mise en oeuvre réussie d'étapes enzymatiques dans des procédés de synthèse ou de développement de voies enzymatiques complètes, en particulier dans l'industrie pharmaceutique.Les lactames sont des composés qui se retrouvent dans de nombreux produits naturels et synthétiques, tels que les ingrédients pharmaceutiques actifs (API) et sont des précurseurs dans la chimie des polymères. Pour accéder aux lactames à partir de squelettes simples d'acides omega-aminés, la synthèse nécessite un processus en deux étapes : tout d'abord, l'activation de la fonction acide, puis, l'addition intramoléculaire d'amine nucléophile. Pour les petits lactames (5-7 chaînons), la cyclisation intramoléculaire se produit spontanément une fois l'acide activé.Dans le cadre de nos travaux sur des voies d'accès enzymatiques aux amides, nous avons récemment mis au point une synthèse impliquant une activation par CoA ligases, en absence de CoASH, et utilisant uniquement leur aptitude d'activation de l'acide par adénylation par l'ATP, introduit à seulement 5% molaire grâce à la mise en place d'un système de régénération.Jusqu'à présent, le type de lactames obtenus par biocatalyse est limité aux cycles nus, dépourvus de fonctions. L'objectif du projet est de disposer d'enzymes permettant la synthèse par approche biocatalytique de lactames fonctionnalisés de 5 à 7 chaînons. Pour cela deux types d'approche seront menés :1) Exploration de la biodiversité. Une collection d'enzymes de type CoA ligases, construite par une approche génomique basée sur l'identité de séquences, est disponible au laboratoire. Cette collection, constituée d'environ 250 enzymes, sera criblée sur des substrats précurseurs de lactames d'intérêt. Des enzymes d'adénylation, autres que des CoA ligases ont été identifiées et seront également testées.2) Conception rationnelle. En collaboration avec l'équipe des Pr. Dick Janssen et Dr. Andy-Mark Thunnissen (Université de Groningen, Pays-Bas), les données structurales seront utilisées pour générer des bibliothèques ciblées. Des expériences de docking avec les substrats seront réalisées pour cibler les mutations.

Biotechnology is now a well-established part of the chemical industry landscape. In the field of biocatalysis, there are numerous examples of the successful implementation of enzymatic steps in synthesis processes or the development of complete enzymatic pathways, particularly in the pharmaceutical industry.Lactams are compounds found in many natural and synthetic products, such as active pharmaceutical ingredients (APIs), and are precursors in polymer chemistry. To access lactams from simple omega-amino acid backbones, synthesis requires a two-step process: first, activation of the acid function, followed by intramolecular nucleophilic amine addition. For small lactams (5-7 members), intramolecular cyclization occurs spontaneously once the acid has been activated.As part of our work on enzymatic access routes to amides, we recently developed a synthesis involving activation by CoA ligases, in the absence of CoASH, and using only their ability to activate the acid by adenylation with ATP, introduced at only 5 mol% thanks to the implementation of a regeneration system.Until now, the type of lactams obtained by biocatalysis has been limited to bare, functionless rings. The aim of the project is to provide enzymes for the biocatalytic synthesis of 5- to 7-membered functionalized lactams. To achieve this, two approaches will be pursued:1) Exploration of biodiversity. A collection of CoA ligase enzymes, built up using a genomic approach based on sequence identity, is available in the laboratory. This collection, comprising around 250 enzymes, will be screened on lactam precursor substrates of interest. Adenylation enzymes other than CoA ligases have been identified and will also be tested.2) Rational design. In collaboration with the team of Prof. Dick Janssen and Dr. Andy-Mark Thunnissen (University of Groningen, Netherlands), structural data will be used to generate targeted libraries. Substrate docking experiments will be carried out to target mutations.