Hybrides: Métalloenzymes artificielles pour la catalyse asymétrique - Hybrids: Artificial Metalloenzymes for Asymetric Catalysis – HAMAC

La catalyse d'oxydation asymétrique est aujourd'hui un enjeu stratégique de la recherche fondamentale et appliquée. En effet, malgré les efforts des trois dernières décennies, il faut reconsidérer de nombreux procédés au vu du contexte environnemental et économique. La catalyse chimique homogène et la biocatalyse représentent les meilleures solutions mais elles restent perfectibles. Globalement, ces deux approches chimiques et biochimiques sont complémentaires. Il existe alors une stratégie originale pour mettre en synergie ces deux domaines de la catalyse. Cette stratégie repose sur la génération de catalyseurs hybrides, à l'interface de la biologie et de la chimie inorganique. Le catalyseur hybride idéal comprendra alors un site actif issu de la chimie de coordination ou organométallique et une partie protéique. Le repliement de la chaîne polypeptidique naturelle dirigera la sélectivité de la réaction alors que le complexe métallique, achiral, prendra en charge le mode de réactivité. Les avantages de cette approche « bio-inorganique » sont importants. Tout d'abord, la diversité des catalyseurs sera augmentée à la fois par la possibilité de modifier les acides aminés des protéines ciblées mais aussi les ligands du complexe inorganique. Ensuite, la possibilité de dissocier l'activité du catalyseur de la sélectivité de l'édifice protéique favorisera un meilleur contrôle et/ou une modulation de la réaction ciblée. Enfin, ces catalyseurs remplissent en grande partie les principes de la chimie verte.
L'objectif de notre projet est de mettre au point des catalyseurs hydrides actifs dans le cadre d'oxydations en privilégiant les réactions de transferts d'oxygène asymétriques. Aujourd'hui, il n'existe que très peu de solutions appliquées pour l'oxydation d'alcanes, d'alcènes et de sulfures dans les deux domaines de la biocatalyse et de la catalyse chimique. Notre volonté est donc de proposer un jour une solution clef en main où l'association d'une protéine permettra une catalyse asymétrique dont la nature sera dictée par le

complexe intégré. Cette modularité reste aujourd'hui encore une originalité du domaine de la catalyse alors qu'elle est depuis longtemps appliquée dans les biotechnologies.
La sélection des protéines et des complexes achiraux est la clef de voûte de ce projet. Le choix des protéines est basé sur les travaux récents des deux laboratoires. Le choix des complexes achiraux sera basé sur le pool de catalyseurs bio-inspirés du laboratoire. Cette approche biomimétique est depuis longtemps un axe de recherche prioritaire du laboratoire CRBio/LCBM.
Une telle approche implique aussi une connaissance fondamentale de ce nouveau type d'objet hybride. Les paramètres qui influent sur la sélectivité devront être déterminés. L'obtention d'informations structurales est donc essentielle et le laboratoire partenaire possède une compétence reconnue dans ce domaine. Grâce à la cristallographie des protéines, il est aujourd'hui possible d'envisager le suivi

de la réaction pas à pas et de déterminer les liaisons supramoléculaires entre le substrat, le site actif et le polypeptide à chaque étape. Cet aspect est impossible dans le cas de la catalyse homogène. Un axe fort de notre approche consiste en l'optimisation des réactions par deux approches: l'une chimique (variants du complexes) et l'autre biochimique (site saturation mutagenesis). Cet aspect du travail nécessite un gros effort pour la mise au point de la méthode de screening des mutants. Les compétences complémentaires des deux laboratoires LCCP et CRBio/LCBM dans le domaine de l'enzymologie des métalloenzymes et de la chimie bio-inorganique sont un atout pour la réalisation de ce nouveau type de métalloenzymes artificielles. Le projet s'appuie sur une collaboration initiée il y a deux ans et qui a fait ses preuves.