Exploration et exploitation des cations glycosyl dans un contexte enzymatique – BROWNSUGARS

IC2MP (Poitiers):

Synthèse ou acquisition des monosaccharides précurseurs et activation en milieu superacide pour générer les cations glycosyl correspondants et enregistrement de leur signature RMN 1H et 13C à basse température; étude de leur stabilité par RMN

CICbiogune (Bilbao):

Analyse des signatures RMN des cations supportée par des calculs DFT pour accéder à la structure et conformation de ces espèces

ICREA (Barcelone):

Modélisation du milieu superacide (une première) ;

Simulations MD et QM/MM des cations glycosyl dans le milieu superacide modèle

Comparaison des propriétés des cations glycosyl dans les deux environnements (enzymatique et superacide) en sélectionnant 3 enzymes connues pour posséder un état de transition à fort caractère oxocarbénium et qui ont été préalablement étudiées par le partenaire par des méthodes de métadynamique QM/MM

Suppression de l'OH en 2 de l'état de transition chez les enzymes pour pouvoir comparer les structures obtenues

Grâce à cette approche, les cations glycosyl « insaisissables « dérivés de D-glucopyranose, D-galactopyranose et L-arabinofuranose 2-désoxy non protégés ont pu être accumulés dans le milieu superacide. Leur analyse approfondie par RMN assistée par des calculs DFT ont fourni pour la première fois les principales caractéristiques structurelles et conformationnelles de ces espèces poly-protonées. Ces ions glycosylium observés dans un environnement superacide et son réseau d'interaction avec le HF/SbF5 ont été comparés aux interactions substrat-enzyme dans le site actif des glycosidases. Les longueurs de liaison, les distances d'interaction non covalentes (liaisons ioniques et liaisons hydrogène), et la planarité du cycle pyranose ou furanose de ces cations dans le milieu superacide est similaire aux valeurs observées dans les sites actifs enzymatiques correspondants. Cependant, le caractère cationique du carbone anomérique semble légèrement accentué dans le milieu superacide.

Il est important de noter que les cations 2-désoxy- adoptent dans le superacide et dans l'enzyme correspondante une conformation proche. Dans l'ensemble, ces résultats soutiennent l’hypothèse clé posée par le Pr. G. A. Olah dans son autobiographie : « Parce que la géométrie unique des sites enzymatiques peut rendre possible des interactions multidentates, les activations chimiques superélectrophiles peuvent avoir leur équivalent dans un processus enzymatique. » Les ponts salins formés entre les groupes hydroxyles protonés et les anions SbF6− du milieu superacide HF/SbF5 peuvent ainsi être comparés au réseau de liaisons hydrogène qui stabilisent les cations glycosyl dans les états de transition des réactions catalysées par les glycosidases. Ce travail a fait l'objet d'une publication dans le Journal of the American Chemical Society (Armand M, Nin-Hill A, Ardá A, et al. Glycosylium Ions in Superacid Mimic the Transition State of Enzyme Reactions. J Am Chem Soc. 2024;146(47):32618-32626. doi:10.1021/jacs.4c11677.)

Nous émettons l'hypothèse que la méthode mise au point dans le cadre du projet « Brownsugars » combinant glycochimie - activation superacide - spectroscopie RMN - calculs DFT - simulations QM/MM, qui a permis de caractériser des états de transition de glycosidases, pourrait être utilisée comme une approche pertinente pour étudier des familles d'inhibiteurs potentiels de GT/GH et quantifier leur analogie structurale avec l’état de transition de ces enzymes. Ces inhibiteurs possèdent un fort potentiel applicatif, certaines molécules étant déjà sur le marché comme principe actif.

En effet, les enzymes et notamment les glycosidases, catalysent des réactions chimiques avec des cinétiques stupéfiantes comparées à la chimie non catalysée dans les mêmes conditions réactionnelles. Linus Pauling a proposé que la puissante action catalytique des enzymes puisse être expliquée par une liaison forte et spécifique aux espèces d'état de transition. La constante cinétique étant proportionnelle à la proportion de réactif dans le complexe d'état de transition, l'enzyme est considérée comme pouvant accroître la concentration d'espèces réactives. L'observation que des analogues stables des états de transition pour les réactions enzymatiques agissent souvent comme des inhibiteurs de forte affinité a fourni un soutien précoce à cette hypothèse. En complément des méthodes classiques employées (LFER, ITC, cristallographie aux rayons X, mesure KIE), notre approche pourrait être considérée comme une alternative innovante pour évaluer le degré d'analogie structurale des inhibiteurs vis à vis de l'état de transition et identifier les véritables analogues de l'état de transition. Un projet ANR sera déposé à l'AAP 2027 coordonné par l'IC2MP.

La grande diversité de molécules à base de sucres présentes dans la nature nécessite de nombreuses enzymes pour leur synthèse et leur dégradation. C'est notamment le rôle des glycosidases (GH) et glycosyltransférases (GT) qui réalisent respectivement la coupure et la formation de la liaison glycosidique. Leurs multiples applications industrielles, allant de la production de biofuel au drug design, requièrent une connaissance approfondie de leur mécanisme et des intermédiaires réactionnels impliqués à l'échelle de l’atome. Les approches généralement utilisées jusqu’à présent pour l’étude de ces enzymes sont de nature indirecte (mesures cinétiques, ou théoriques (QM/MM, etc…) L’apport de nouvelles méthodologies serait la bienvenue dans ce domaine dynamique et à fort potentiel.
L'état de transition (TS) d’un grand nombre de GHs et GTs montre un fort caractère cationique au niveau du monosaccharide siège de la réaction de coupure ou de formation de la liaison glycosidique. Ce cation, à la base de la conception de la plupart des inhibiteurs de GHs et de GTs, certains étant commercialisés, a été peu scruté du fait du temps de vie extrêmement court de ce type d’espèce chimique qui empêche leur observation.
Dans ce projet, nous souhaitons appliquer une stratégie combinant activation superacide, RMN et calculs DFT, stratégie auparavant gagnante avec les donneurs de glycosyle protégés, à des monosaccharides non protégés pour accéder aux cations glycosyl correspondants afin de réaliser pour la première fois leur étude et caractérisation. Ces espèces seront ensuite comparées aux TS supposés d’une sélection de GHs et GTs pour évaluer l’apport de cette méthode par rapport aux connaissances accumulées sur les TS par d’autres techniques. Cette approche sera ensuite étendue à des inhibiteurs connus de ces enzymes afin d’évaluer la pertinence de ces molécules comme mimes de l’état de transition de GHs et GTs.
A terme, ce travail devrait générer un outil utile non seulement pour progresser dans la connaissance du mécanisme des GHs et GTs et plus particulièrement dans le caractère cationique de leur état de transition, mais aussi un outil permettant d'améliorer le design d'inhibiteurs futurs.