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Synthèse enzymatique de liaisons glycosidiques une lutte contre l’omniprésence de l’eau

Bien que la plupart des glycoside hydrolases soient caractérisées par une partition hydrolyse/transglycosylation en faveur de l'hydrolyse, la grande biodiversité de ces enzymes constitue un réservoir pour la catalyse de réaction de glycosynthèse. Par des approches d'ingénierie enzymatique permettant de combiner des activités hydrolytique quasi-inexistante et de transglycosylation décuplée, les premières transarabinofuranosylases évolués, présentant des taux de transfert proche de 100 %, ont été obtenues.

 

Contexte et enjeu :

Les motifs saccharidiques sont des composants majeurs des systèmes vivants. Cependant, la synthèse chimique de liaisons glycosidiques, à la base de l’élaboration de nombreuses molécules d’intérêt pour la recherche et pour diverses applications, s’avère longue et fastidieuse. Or de par leurs sélectivités (stéréo-, régio- et de substrat), l’utilisation d’enzymes, telles des glycoside hydrolases (GHs), réduit considérablement la complexité de cette réaction. Toutefois, la plupart des GHs hydrolysent les liaisons glycosidiques, alors que celles - les transglycosylases (TGs) - présentant la capacité de synthétiser efficacement ce type de lien en milieu aqueux constituent une sous-classe minoritaire. En effet, les GHs se répartissent dans une centaine de familles différentes, dont certaines contiennent des TGs. De presque tous points de vue, les TGs et GHs d’une même famille se ressemblent beaucoup plus que deux TGs de deux familles différentes. Sachant que GHs et TGs partagent un mécanisme catalytique commun, mais avec des devenirs différents, nous avons étudié les déterminants 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.

 

 

Résultats :

Une analyse méticuleuse de la littérature ainsi que les résultats de nos travaux nous ont permis de formuler de nouvelles hypothèses concernant la partition hydrolyse/synthèse chez ces enzymes et de générer les toutes premières transarabinofuranosylases à partir d’une arabinofuranosidase; GH dont l’intérêt est double puisque cette enzyme principalement hydrolytique est active sur des furanosides, une classe de sucres pour laquelle il n’existait jusqu’alors de TG. Ces réactions enzymatiques de transglycosylation procurent avec des rendements élevés (≥ 80%) des produits parfaitement stables.

Il nous semble ainsi probable que, de par la modification des états de transition, les TGs soient fondamentalement des enzymes paresseuses car présentant des interactions altérées avec le sucre donneur par rapport à leurs homologues GHs ce qui serait intrinsèquement nuisible pour le déroulement de la réaction d’hydrolyse notamment. Et, malgré son omniprésence, l’eau n’est alors plus un substrat lors de la catalyse. Une reconnaissance accrue de molécules acceptrices complètent les conditions nécessaires pour basculer l’activité vers la transglycosylation.

 

Perspectives :

Selon notre appréciation, ces hypothèses pourraient être étendue à d’autres GHs. Dans ce cas, il devient alors possible d’envisager une approche rationnelle pour la création de TGs afin de compléter la palette d’outils synthétiques pour le glycochimiste, constituant ainsi un domaine d’intérêt scientifique et technologique majeur.

 

Références :

Bastien Bissaro, Julien Durand, Xevi Biarnés, Antoni Planas, Pierre Monsan, Michael J. O'Donohue, Régis Fauré. (2015) 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

Bastien Bissaro, Pierre Monsan, Régis Fauré, Michael J. O'Donohue (2015) Glycosynthesis in a Waterworld: new insight into the molecular basis of transglycosylation in retaining glycoside hydrolases. Biochem. J. 2015, 467(1):17-35. DOI: 10.1042/BJ20141412

 

Contacts chercheurs :

Régis Fauré et Michael J. O’Donohue, LISBP - Toulouse

Courriel : regis.faure @ insa-toulouse.fr et michael.odonohue @ insa-toulouse.fr

Tél. : 05 61 55 94 88