Ingénierie de nouvelles métalloenzymes pour la catalyse abiologique – Abiozyme

Dans le cadre de la transition vers une bioéconomie durable, il est attendu que l’industrie chimique fasse de plus en plus appel aux biotechnologies telles que la biocatalyse et la biologie de synthèse pour la production de composés tels que les produits pharmaceutiques, phytosanitaires, les arômes et les parfums. Cependant, pour atteindre leur plein potentiel, il est nécessaire de concevoir de nouvelles enzymes catalysant des réactions abiologiques maîtrisées par les chimistes. La catalyse avec des métaux de transition a considérablement contribué au développement de nouvelles réactions, notamment grâce à des intermédiaires réactifs de type métal-carbone ou métal-hétéroatome. Par exemple, les groupements cyclopropyle ou aziridyle sont facilement accessible à partir de métallocarbène ou métallonitrène, qui sont des espèces inexistantes dans les processus biologiques. L’ingénierie de ce type de réactivité au sein de métalloenzymes artificielles permettra de développer de nouveaux biocatalyseurs facilement intégrables dans des cascades biocatalytiques innovantes ou dans des voies métaboliques artificielles in vivo (ingénierie métabolique) pour la bioproduction de molécules synthétiques complexes.

A travers ce projet, nous explorerons le fort potentiel des Lytic polysaccharides monooxygenases (LPMOs), une classe d’enzymes à cuivre, comme châssis moléculaire original pour l'ingénierie de réactivité abiologique. En effet, leur site actif exposé au solvant possède un motif structural rare appelé « histidine brace » qui assure notamment une grande stabilité et une réactivité au centre actif métallique. Ce motif correspond à une histidine en position N-terminale qui coordine un ion métallique de manière bidente, c’est-à-dire à la fois par sa chaîne latérale et par l’amine libre N-terminale. De manière plus spécifique, notre objectif est de démontrer que les LPMOs peuvent être transformées en biocatalyseurs innovants réalisant des transformations abiologiques catalysées par leur site actif métallique. Notre approche consistera à: i) diversifier la topologie structurale du site actif (par mutagenèse dirigée, incluant des acides aminés non-naturels) et explorer sa promiscuité vis-à-vis d’ions métalliques; ii) caractériser les variants contenant de nouveaux motifs de coordination; iii) tester ces nouvelles métalloenzymes artificielles pour leur activité abiologique alternative (en mettant l'accent sur les réactions de transfert de carbène et de nitrène); iv) améliorer l'efficacité et l’étendue catalytique de ces nouveaux biocatalyseurs par évolution dirigée, et v) utiliser ces biocatalyseurs pour la synthèse de molécules d'intérêt.