Adaptation des enzymes bioénergétiques aux quinones – ADAPT2Q

Les chaînes bioénergétiques qui alimentent le métabolisme cellulaire ont connu des changements spectaculaires depuis l'apparition de la vie sur Terre, avec une diversification des sources d'énergie environnementales et l'évolution de nombreuses enzymes dédiées. Le mécanisme de conservation de l'énergie est cependant resté pratiquement constant. Il implique principalement des ATP synthases fonctionnant sur une force motrice protonique transmembranaire créée principalement par la diffusion de transporteurs liposolubles de H+/électrons (quinones/quinols (Q/QH2)) dans la membrane entre les enzymes bioénergétiques portant des sites de liaison aux Q/QH2. Ces Q/QH2 se sont diversifiées au cours de l'évolution et présentent aujourd'hui une grande variabilité chimique et redox. L'histoire évolutive de cette variabilité et les adaptations des enzymes aux différentes Q/QH2 sont loin d'être comprises. Notre hypothèse propose que les enzymes bioénergétiques ont adapté au fil du temps leurs sites de liaison aux Q/QH2 soit pour une Q/QH2 spécifique, soit pour plusieurs types de Q/QH2, en fonction des contraintes thermodynamiques de leurs réactions d'oxydoréduction. Lorsque la contrainte thermodynamique de la co-réaction avec la Q/QH2 et le substrat environnemental le permet, les enzymes auraient fait évoluer leur site de liaison aux Q/QH2 pour accommoder n'importe quel type de Q/QH2, alors que lorsque la co-réaction ne le permet pas, les enzymes auraient évolué en façonnant leur site de liaison pour une Q/QH2 spécifique. Dans ce projet, nous avons pour objectif de tester cette hypothèse en travaillant sur quatre enzymes distinctes en termes de structure : la nitrate réductase respiratoire Nar, la cytochrome bd oxydase, le complexe Rieske/cytb et l'arsénite oxydase alternative Arx. Les deux premières ne sont par ailleurs pas soumises à des contraintes thermodynamiques, tandis que les deux dernières le sont. Elles illustrent donc la diversité enzymatique dans le domaine de la bioénergétique. Le choix de ces quatre enzymes maximise l'information attendue qui peut être obtenue dans le temps alloué à ce projet. Par une approche pluridisciplinaire de pointe combinant bio-informatique, biochimie, biophysique, modélisation moléculaire, ingénierie enzymatique et synthèse organique, nous aborderons quatre objectifs : (1) établir le niveau de spécificité des protéines naturelles vis-à-vis des types de Q/QH2, (2) identifier les acides aminés qui font partie des sites de fixation de Q/QH2 et ceux qui interagissent avec les Q/QH2, (3) révéler le lien évolutif entre la structure du site de fixation de Q/QH2 et la disponibilité du type Q/QH2 et (4) modifier la spécificité des enzymes vis-à-vis des Q/QH2 par l'ingénierie protéinique. Le premier apport de ADAPT2Q sera la synthèse de nouveaux analogues hydrophiles et porteurs de spin, qui profitera à l'ensemble de la communauté travaillant sur les enzymes Q/QH2. Le deuxième sera une vue globale sans précédent des événements de l'évolution des voies de la biogénèse des Q/QH2 au sein du monde procaryote, qui sera utile à tous les chercheurs intéressés par la bioénergétique. Mais le bénéfice global du projet sera une compréhension moléculaire des interactions entre Q et enzymes partenaires, ainsi qu'une perspective globale de leur évolution au cours des 3 derniers milliards d’années.