DS10 - Défi des autres savoirs 2016

Control of Carbon-Carbon Bond Cleavage by Radical SAM Enzymes – CARBONARA

Radical fate in reactions catalyzed by radical SAM enzymes

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Des enzymes utilisent la chimie radicalaire pour la coupure de liaisons C-C spécifiques de leur substrat contrôlant ainsi l’identité du produit formé.<br />Les enzymes à radical S-adénosyl-L-méthionine (SAM) utilisent la chimie radicalaire pour catalyser des réactions difficilement réalisables par la chimie à deux électrons. Les objectifs du projet Carbonara visent à élucider les mécanismes radicalaires qui sous-tendent la réaction de coupure homolytique de la liaison C-C. Il s’agit pour cela d’étudier cinq protéines : (1) HydG, dont le substrat est la L-tyrosine, est impliquée dans la maturation du site actif de l’hydrogénase à [FeFe] (2) ThiH, qui comme HydG est une L-tyrosine lyase, est impliquée dans la synthèse de la vitamine B1 (3) la F0-synthase, qui a aussi la L-tyrosine comme substrat, intervient dans la synthèse du cofacteur F420 chez les méthanogènes (4) NosL convertit le L-tryptophane en acide 3-méthyl-2-indolique, précurseur dans la synthèse de l’antibiotique nosiheptide et (5) PylB transforme la L-lysine en 3-méthyl-D-ornithine dans la biosynthèse du 22ième acide aminé, la pyrrolysine. Nous souhaitons déterminer les facteurs intrinsèques à la réaction radicalaire et ceux apportés par la matrice protéique pour la sélectivité de substrat et de réaction. L’étude fondamentale de ces mécanismes devrait permettre l’utilisation de chimères de ces enzymes en biologie de synthèse

Utilisation de la cristallographie aux rayons-X, la chimie computationnelle, la spectroscopie RPE et des analyses fonctionnelles en solution.
Les structures cristallines de la protéine NosL avec des analogues de substrat liés à la protéine ont été résolues. L’analyse de l’orientation de ces analogues dans les modèles cristallographiques, couplée à la caractérisation des radicaux le long du chemin réactionnel par spectroscopie RPE et à des calculs théoriques, ont permis de caractériser les premières étapes de la réaction catalysée par NosL. Une fois l’atome d’hydrogène arraché à l’amine du tryptophane par le radical 5’-déoxyadénosyl, le radical ainsi formé sur le substrat permet la coupure de la liaison Ca-C et la formation d’un intermédiaire radicalaire •CO2- qui est ensuite transféré sur le carbone C2 du cycle du tryptophane.
Nous avons résolu les structures cristallines de différentes protéines à radical SAM. Nous avons aussi développé de nouveaux tests fonctionnels qui nous ont permis de déchiffrer les mécanismes enzymatiques de ces enzymes.
Nous avons combiné des analyses structurales, fonctionnelles en solution et par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique afin de suivre l’évolution des intermédiaires et des produits de réaction. Ces travaux expérimentaux ont été complétés par des calculs théoriques afin d’accéder aux étapes non mesurables expérimentalement. Les progrès significatifs dans la compréhension du mécanisme réactionnel de cette famille d’enzymes nous ont permis de proposer et démarrer un nouveau projet coordonné par le Partenaire 2 pour l’étude des enzymes à radical SAM capables de modifier des RiPPs dans le but de la conception de nouveaux antibiotiques.

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Submission summary

Natural products and their biosynthetic routes are important sources of inspiration for chemists in their search for new environment-friendly and still highly efficient routes for the synthesis of fine chemicals. Carbon-carbon bond formation and cleavage are among the most difficult reactions. They usually require preliminary activation steps through the insertion of several, often transitory, functional groups. This frequently leads to an increase in the number of steps and a concomitant drop in the yields. Radical-based chemistry is a good alternative, thanks to its unique ability to activate otherwise unreactive positions such as aliphatic carbon atoms. The downside of this approach is that radical-based reactions are really difficult to control. In Nature, radical S-adenosyl-L-methionine (rSAM) enzymes are versatile radical catalysts capable of performing and tightly controlling over seventy different chemical reactions.
With the CARBONARA project, we aim at determining the factors that control and drive radical-based C-C bond cleavage in rSAM enzymes. We want to address the key issues of substrate selectivity and activation, and the questions as to how these proteins control the radical-based chemistry to cleave one particular C-C bond over another and what tightly controls the termination of the reaction and the final products that are formed. To achieve these goals, we have selected five proteins with similar folds, readily available within the consortium, that catalyze C-C bond cleavage in amino acids.
Our consortium consists of three internationally renowned partners with complementary expertise in the fields of biochemistry, structural biology and spectroscopy covering the fundamentals of this fascinating chemistry. Using X-ray crystallography, in vitro functional analyses, electron paramagnetic resonance spectroscopy and theoretical calculations, we want to characterize the functional, structural and electronic parameters that control the C-C cleavage reaction. In this way, we expect to understand and identify the key factors, which are intrinsic to the radical-based reaction itself and the extrinsic ones controlled by the protein matrix. Our original multidisciplinary approach should not only favor a more rational use of radical-based chemistry in organic synthesis, but also lay the foundations for the use of rSAM enzymes as new tools in synthetic biology, in particular through the development of rationally designed chimeras.

Project coordination

Yvain Nicolet (Institut de Biologie Structurale - CNRS ALPES)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partnership

IBS/METALLO Institut de Biologie Structurale - CNRS ALPES
INRA Jouy/Micalis Institut Micalis
INAC/SCIB Institut Nanosciences et Cryogénie

Help of the ANR 502,025 euros
Beginning and duration of the scientific project: December 2016 - 36 Months

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