Dynamique structurale de l'acide gras photodécarboxylase – SNAPsHOTs

L’acide gras photodécarboxylase (FAP) est une photoenzyme récemment découverte et caractérisée par le coordinateur et un partenaire de cette proposition (Sorigué et al. 2017 Science 357:903). La FAP catalyse la décarboxylation des acides gras par la lumière en hydrocarbures et en CO2. Ce n'est que la troisième photoenzyme à être identifiée et elle représente donc une occasion unique d'approfondir la compréhension de la photocatalyse. Malgré notre caractérisation initiale du FAP, les structures 3D des états intermédiaires et une compréhension mécanistique détaillée des événements catalytiques de la FAP sont demeurés inconnus. Notre objectif est de mieux comprendre les événements survenant au cours du photocycle de la FAP, depuis l'échelle de temps ultra-rapide (femto- à picosecondes) juste après l'absorption des photons jusqu'à la formation du produit sur des échelles de temps plus lentes (nano- à millisecondes). Notre hypothèse centrale est que l'absorption de photons par FAD conduit à la formation de produits via une séquence d'états intermédiaires au sein du photocycle, ce qui implique des changements spectroscopiques et structurels distincts. Nos objectifs sont la caractérisation structurale et spectroscopique des états excités du FAD à l'échelle des temps ultra-rapides, la détermination de la structure des états intermédiaires catalytiques, l'élucidation spectroscopique des étapes de transfert d'électrons et de protons, l'observation structurale et spectroscopique du clivage de la liaison C-C conduisant à la décarboxylation du substrat, et l'identification d'un donneur de protons (ou d'atomes d'hydrogène) (acide aminé ou molécule d'eau) dont l'existence a été postulée dans le photocycle. La méthodologie choisie consiste en une combinaison de techniques biophysiques et biochimiques expérimentales, y compris la cristallographie à résolution temporelle aux synchrotrons et aux lasers à électrons libres et à rayons X (XFEL), la FTIR et l’infrarouge à résolution temporelle, la spectroscopie d'absorption et de fluorescence sur FAP en solution et en cristaux et des méthodes de calcul QM/MM complémentaires. En particulier, le projet SNAPsHOTs exploitera pleinement les capacités uniques de l'installation européenne de laser à électrons sans rayons X (XFEL) qui a été récemment inaugurée et à laquelle la France a contribué financièrement. Le financement sera essentiel pour maintenir le leadership français dans un domaine hautement compétitif avec des applications industrielles potentielles.
En fin de compte, notre projet fournira un film moléculaire du photocycle FAP qui met en exergue les changements structuraux qui se produisent pendant la catalyse enzymatique par la lumière à une résolution atomique. Les informations structurelles et mécanistes devraient également être utiles pour améliorer la stabilité, le chiffre d'affaires ou la spécificité de la PPA en vue d'applications biotechnologiques.