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Ingénierie et enzymologie : faire basculer une enzyme hydrolytique vers une activité de synthèse

Comment transformer une activité enzymatique d’hydrolyse, innée, en une activité de synthèse de liaisons glycosidiques, beaucoup plus rare mais très utile pour élaborer des molécules d’intérêt pour la recherche et diverses applications ? Dans un article publié dans ACS Catalysis, des chercheurs du Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés montrent comment obtenir cette partition d’activité pour des enzymes de la famille des glycoside hydrolases.

 

Les motifs saccharidiques sont des composants majeurs des systèmes vivants, présentant une immense diversité structurale. De nombreuses molécules d’intérêt pour la recherche et différentes applications comportent des motifs saccharidiques synthétisés chimiquement. Cependant, cette synthèse chimique de liaisons glycosidiques s’avère longue et fastidieuse, du fait du grand nombre de combinaisons possibles pour lier plusieurs sucres entre eux. L’utilisation d’enzymes, par nature hautement sélectives en agissant sur un type de substrat glycosidique et de liaison donnés1, pourrait réduire la complexité de cette réaction. Elle représenterait de plus une alternative « propre » à certains procédés chimiques actuellement utilisés. Des recherches visent ainsi à obtenir facilement, à partir d’une enzyme choisie, des enzymes capables de synthétiser un certain type de liaisons glycosidiques. Dans cet objectif, comprendre comment des enzymes appartenant à la même famille présentent deux activités2, l’une d’hydrolyse et l’autre de synthèse, est une piste prometteuse.

Les chercheurs du LISBP (CNRS/INRA/INSA Toulouse) s’intéressent aux glycoside hydrolases à mécanisme de rétention (rGHs), qui représentent environ 60% des glycoside hydrolasess, et sont réparties en deux classes : les GHs, qui hydrolysent les liaisons glycosidiques3, et les transglycosylases (TGs), qui synthétisent efficacement ce type de lien en milieu aqueux, mais constituent une sous-classe très minoritaire. Ces enzymes GHs et TGs partagent un mécanisme catalytique commun, mais avec des devenirs différents. Ce qui détermine le passage d’une activité à une autre restait incompris. Les chercheurs du LISBP ont étudié les interactions moléculaires responsables de cette partition d’activités et appliqué des approches d’ingénierie afin de basculer le comportement d’une enzyme hydrolytique vers une enzyme de synthèse.

Leurs résultats permettent de formuler de nouvelles hypothèses concernant la partition hydrolyse/synthèse chez ces enzymes. Ils sont parvenus à générer les toutes premières transarabinofuranosylases (TGs) à partir d’une arabinofuranosidase (GH). Ce résultat est particulièrement intéressant car les transarabinofuranosylases sont actives sur des furanosides, une classe de sucres pour laquelle il n’existait jusqu’alors pas de TGs. Enfin, ces réactions enzymatiques irréversibles, puisque la réaction d’hydrolyse a également été annihilée, procurent des produits de synthèse avec des rendements élevés (≥ 80 %).

Pour les chercheurs du LISBP, il est probable que les TGs soient fondamentalement, et de manière paradoxale, des enzymes « paresseuses ». En effet, alors que les GHs se lient de manière optimale au sucre donneur et à l’eau, permettant l’hydrolyse des liaisons glycosidiques, les TGs engageraient des interactions altérées avec le sucre donneur, ce qui serait intrinsèquement nuisible pour le déroulement de la réaction d’hydrolyse. Et, malgré son omniprésence, l’eau ne serait alors plus un substrat lors de la catalyse. Une reconnaissance accrue de molécules acceptrices complèteraient les conditions nécessaires pour faire basculer l’activité vers la synthèse.

Ces hypothèses pourraient être étendues à d’autres GHs afin de compléter la palette d’outils synthétiques pour le glycochimiste, constituant ainsi un domaine d’intérêt scientifique et technologique majeur.

© Bastien Bissaro et Régis Fauré
(1) L’action d’une rGH sur un sucre donneur activé par un bon groupe partant (en bleu) conduit à un intermédiaire covalent glycosyle-enzyme. (2) La possibilité pour l’eau ou une autre molécule hydroxylé (i.e. un accepteur) de déplacer cet intermédiaire va être déterminant pour le devenir de la réaction et ainsi conduire soit à un produit de synthèse (3) ou d’hydrolyse (3’). 

 

 

Notes :
1 Ces enzymes sont référencées dans une base de données unique au monde CAZy (pour Carbohydrate-Active enZYmes), qui compte actuellement un peu plus de 260 000 glycoside hydrolases différentes.

2 B. Bissaro, P. Monsan, R. Fauré et M.J. O'Donohue (2015) Glycosynthesis in a Waterworld: new insight into the molecular basis of transglycosylation in retaining glycoside hydrolases. Biochem. J. 467(1):17-35.

3 Dans une réaction d’hydrolyse, les rGHs interagissent avec leur substrat, un sucre donneur, jusqu’à la formation d’un intermédiaire covalent qui va alors être attaqué par une molécule d’eau, conduisant à la rupture de la liaison glycosidique.

Références :
Bastien Bissaro, Julien Durand, Xevi Biarnés, Antoni Planas, Pierre Monsan, Michael J. O'Donohue et Régis Fauré
Molecular design of non-Leloir furanose-transferring enzymes from an α-l-arabinofuranosidase: a rationale for the engineering of evolved transglycosylases
ACS Catal. 2015, 5(8):4598-4611, DOI: 10.1021/acscatal.5b00949

 

Contacts chercheurs :
Régis Fauré (regis.faure @ insa-toulouse.fr)
Michael J. O’Donohue (michael.odonohue @ insa-toulouse.fr)

 

Contact communication INSIS :
Muriel Ilous (muriel.ilous @ cnrs-dir.fr)