Relation structure-réactivité et ingénierie d'une métalloenzyme à cuivre

Structure-reactivity relationship of the copper-dependent lytic polysaccharide monooxygenase

• Auteur / Autrice : Alessia Munzone
• Direction : Ariane Jalila Simaan, Christophe Decroos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance le 16/03/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences chimiques (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires de Marseille (ISM2)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Dorlet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Lafite
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Seemann, Catherine Belle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Histidine

Hétérosides

Enzymes à cuivre

Monooxygénases

Biocatalyse

Mots clés libres

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Résumé

Les lytic polysaccharide monooxygenases (LPMO) sont des métalloenzymes à cuivre impliquées dans la dégradation des polysaccharides récalcitrants, tels que la cellulose et la chitine. L'ion cuivre du site actif est lié par un motif de coordination très inhabituel, composé de deux histidines entièrement conservées, dont l'une située à l'extrémité N-terminale qui est liée au cuivre à la fois par l'imidazole de la chaîne latérale et l’amine terminale. Ce motif de coordination, appelé «histidine brace», permet de catalyser le clivage oxydatif de liaisons glycosidiques dans des polysaccharides récalcitrants, en présence de dioxygène ou de peroxyde d'hydrogène et d'un donneur d'électrons. Ce travail a été réalisé par une approche interdisciplinaire avec des outils et des concepts fondamentaux allant de la biologie à la chimie. Nous nous sommes tout d'abord intéressés aux propriétés natives du site actif dans des LPMOs bactériennes appartenant à la sous-famille AA10. Notamment, la variabilité d'un résidu d'alanine en deuxième sphère de coordination a été étudiée, conduisant à la découverte de nouvelles enzymes avec des caractéristiques inhabituelles. Le rôle de l'alanine a ensuite été sondé en remplaçant ce résidu dans l'enzyme modèle SmAA10, par d’autres résidus naturellement présents chez certaines AA10s. Cette même enzyme modèle a ensuite été utilisée pour étudier l'influence du motif histidine brace sur les propriétés du site actif. Variants du site actif de SmAA10 nous ont permis de créer des sites de coordination originaux dans la perspective de catalyser de nouvelles réactions abiologiques dépendantes d’un ion métallique

Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are copper-dependent enzymes involved in the breakdown of recalcitrant polysaccharides, such as cellulose and chitin. The active site copper ion is coordinated by a very unusual coordination motif, consisting of two fully conserved histidines, one of which is located at the N-terminus and binds copper by both its the side chain nitrogen and the free amino terminal group. Such organization, known as “histidine brace” motif allows the oxidative cleavage of glycosidic bonds in recalcitrant polysaccharides, in the presence of dioxygen or hydrogen peroxide and an electron donor. The objectives of the present work have been pursued via an interdisciplinary approach, using tools and fundamental concepts that span from biology to chemistry. The focus was firstly addressed on the natural properties of the active site in the bacterial LPMOs belonging to the AA10 subfamily. Notably, the variability of a second coordination sphere alanine residue (~ 4 Å from the copper ion) was firstly investigated, leading to the discovery of new enzymes with unusual active-site features. The role of active site alanine was then probed by exploring the mutational effect induced by the other occurring residues on both the activity and the physico-chemical properties on the model enzyme SmAA10. Our results emphasize that this unusual coordination motif imparts unique structural and functional features to the copper centre. Furthermore, the SmAA10 active site variants allowed us to create original metal binding sites with the perspective of exploring new abiological metal-based biocatalytic reactions