Vers une voie durable pour la synthèse de molécules chirales: approches expérimentales et théoriques innovantes pour la compréhension des bases moléculaires de l’énantiosélectivité des lipases et des estérases - Towards green synthesis of chiral molecules – EXPENANTIO

On observe actuellement une forte croissance de la demande de composés stéréochimiquement purs, et ceci, dans un contexte général d'un développement nécessaire de la chimie « verte ». Le projet que nous présentons permet de répondre à ces deux demandes. En effet, il a pour but: 1°) de mener des travaux de recherche fondamentale, associant étroitement des méthodes expérimentales « propres » et des méthodes in silico innovantes, visant à mieux comprendre les causes moléculaires de la stéréosélectivité des lipases et des estérases, de façon à pouvoir améliorer encore leur sélectivité par des méthodes rationnelles;
2°) d'utiliser les résultats fondamentaux obtenus dans le projet, en vue de l'éco-conception de procédés de synthèse catalysées par la lipase, pour la production d'alcools chiraux, qui sont des intermédiaires de synthèse asymétrique pour la chimie. Ceci permettra une exploitation efficace et à court terme de ce travail.

En utilisant différentes nouvelles approches de modélisation moléculaire, nous étudierons tout d'abord certains phénomènes qui sont à l'origine de l'énantiopréférence des lipases et des estérases, et qui n'ont été jusqu'ici que peu étudiés. Il s'agit des phénomènes d'accessibilité différentielle des substrats au site actif, des effets d' «empreinte» du site actif provoqués par les substrats ayant une ressemblance structurale avec les produits, des effets stériques et entropiques internes et externes provoqués par les molécules de solvant durant la catalyse. Parallèlement, des études expérimentales seront menées pour valider ces résultats théoriques.
Premièrement, des modifications rationnelles seront effectuées par mutagenèse dirigée sur les enzymes, grâce à l'assistance de la modélisation moléculaire. Deuxièmement, les paramètres cinétiques et thermodynamiques de réactions stéréosélectives catalysées par des lipases ou des estérases sauvages ou modifiées, seront mesurés expérimentalement. Dès lors que les substrats sont
suffisamment volatiles, les réactions seront effectuées en réacteur solide/gaz continu (réacteur dans lequel l'enzyme à l'état de lit fixe solide est percolée par un gaz vecteur transportant les substrats à l'état gazeux, additionnés éventuellement d'autres composés gazeux non réactants). Ce système permet de fixer indépendamment les activités thermodynamiques de toutes les espèces présentes au voisinage de l'enzyme, et par conséquent d'avoir un accès aux paramètres cinétiques et thermodynamiques «intrinsèques» de l'enzyme, ainsi qu'à l'effet «intrinsèque» des molécules non-réactantes. Ces paramètres sont fort utiles pour mieux comprendre les interactions entre enzyme, substrat et solvant, qui régissent la sélectivité.
A côté de ces études très fondamentales, l'irradiation sous micro-ondes sera étudiée comme moyen d'activation alternatif des réactions sélectives catalysées par la lipase ou l'estérase, et dans le but également, de réduire les coûts énergétiques. La sélectivité de des enzymes natives ou modifiées sera étudiée en détail sous irradiation micro-onde, en relation avec les autres paramètres ayant une influence sur ce paramètre (température, type de solvant, présence d'eau dans le milieu). Par ailleurs, les liquides ioniques, dont l'effet sur la stéréosélectivité des enzymes a déjà été mentionnés, seront étudiés.
Les enzymes modifiées et les conditions de réaction les plus prometteuses en terme de sélectivité, seront finalement utilisées pour la production “propre” de polyacetate et polypropionate, par acylation enzymatique de 1,2,3-triols présentant une pseudo-symétrie en C2, ainsi que pour la production de pseudo-ceramides, par acylation sélective d'aminoalcools catalysée par la lipase. Des alcools chiraux énantiomériquement purs seront produits à l'échelle pré-pilote (g) et pilote (kg) en réacteur solide/gaz, réacteur qui permet en outre, de réduire à 0 l'utilisation des solvants organiques servant classiquement de milieu en phase liquide.