Control de la proximité spatiale pour des cascades enzymatiques innovantes afin d’améliorer la deconstruction de la biomasse – Concerto

Aujourd'hui, l'augmentation du CO2 atmosphérique provient de l'utilisation du carbone fossile dans notre vie quotidienne. Outre le développement de sources d'énergie alternatives (solaire, éolienne, nucléaire), la biomasse végétale est l'une des principales options pour remplacer le carburant dans le secteur du transport. Ainsi, la biomasse végétale est appelée à jouer un rôle important dans cette stratégie européenne de bioéconomie. Les biocarburants de seconde génération reposent sur un matériau non alimentaire, bon marché et abondant: la lignocellulose (LC). La LC est constituée d'un réseau complexe de cellulose, d'hémicellulose, de lignine et de protéines qui se réticulent les unes aux autres et est très récalcitrante à la dégradation chimique ou biologique. Cependant, cette complexité chimique offre un vaste potentiel dans le développement de la bioraffinerie pour des molécules et des matériaux renouvelables et durables pour notre vie quotidienne. Dans la nature, les microorganismes lignocellulolytiques sont capables de métaboliser et de recycler le carbone organique d'origine végétale. Ils y parviennent grâce à des cocktails complexes d'enzymes dégradant la paroi cellulaire. Les principales enzymes impliquées dans la dégradation de la LC sont les glycosides hydrolases (GH). La plupart de ces enzymes présentent une architecture modulaire, composée de domaines catalytiques et non catalytiques. Certaines bactéries anaérobies produisent un complexe multienzymatique auto-assemblé ancré à la membrane externe qui couple des enzymes aux activités complémentaires. Des travaux antérieurs ont démontré que la proximité spatiale entre ces enzymes est une des clés de l'efficacité remarquable du cellulosome, mais il est difficile d'évaluer l'effet de la distance et de l'orientation des sites actifs sur la synergie enzymatique, principalement en raison de la grande flexibilité du cellulosome. Ainsi, le contrôle de cette organisation spatiale est d'une grande importance pour maîtriser la synergie enzymatique et augmenter ainsi le rendement de la déconstruction de la LC. Pour atteindre cet objectif, une approche originale est nécessaire. CONCERTO propose d'utiliser l'outil BioMolecular Welding, composé de deux petites protéines Jo et In qui sont capables de créer spontanément une liaison isopeptidique intramoléculaire. Une fois liées l'une à l'autre, Jo-In forment un complexe rigide d'environ 6 nm de large, présentant des extrémités N- et C- disponibles pour la fusion. En outre, l'organisation antiparallèle de Jo-In offre la possibilité de créer des chimères et de moduler l'organisation spatiale relative des domaines protéiques liés. Cependant, cette technologie est limitée car il n'existe qu'une seule paire de Jo-In et aucune paire complémentaire naturelle n'existe. Cette limitation empêche le développement d'assemblages plus complexes qui sont nécessaires pour dégrader la LC. Par conséquent, dans CONCERTO, nous proposons d'aborder cette limitation en développant de nouvelles paires de Jo et In afin de créer une plus grande organisation d'enzymes multi-modulaires. Grâce aux nouvelles paires de Jo et In, des complexes enzymatiques originaux seront conçus dans CONCERTO et seront étudiés en détail, d'une part en résolvant la structure de ces complexes en solution en utilisant l'analyse SAXS et d'autre part en caractérisant méticuleusement le profil de produit généré par ces complexes enzymatiques grâce au développement d'une stratégie analytique qui n'existe pas aujourd'hui. Nous formulons l'hypothèse qu’une variété d’organisations spatiales d’enzymes modifieront le profil de produit de l'hydrolyse de substrats complexes de parois cellulaires végétales, ce qui nous aidera à comprendre la relation activité catalytique/organisation spatiale/profil de produit au sein de ces nanomachines et ouvrira la voie au contrôle de la déconstruction de la biomasse.