Vous êtes ici : Accueil > Eq. BioCE > Thématiques de recherche > Mise au point de métalloenzymes artificielles

Mise au point de métalloenzymes artificielles

Publié le 23 janvier 2019



Dr Caroline Marchi Delapierre
Maître de Conférences Université Grenoble Alpes
Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux
CEA-Grenoble
17 avenue des Martyrs
38 054 Grenoble Cedex 09
Tel : 33 (0)4 38 78 91 04
Fax : 33 (0)4 38 78 91 24

Projet scientifique

L'objectif de notre projet est de mettre au point des catalyseurs hybrides actifs dans le cadre d'oxydations en privilégiant les réactions de transfert d'oxygène asymétrique. L'approche que nous développons consiste en la mise au point de métalloenzymes artificielles : des complexes inorganiques bioinspirés sont introduits au sein de cavités hydrophobes de protéines dont l'échafaudage est chiral.

Catalyseurs chiraux hybrides protéiques : vers des métalloenzymes artificielles
En collaboration avec Christine Cavazza de l'équipe Biocatalyse de notre laboratoire.

Malgré tous les efforts en recherches, il est difficile aujourd'hui encore de prévoir le résultat d'une catalyse énantiosélective. Une approche combinatoire récente, pour la sélection de catalyseurs énantiosélectifs efficaces, a montré que plusieurs paramètres extérieurs (le solvant ou le contre-ion), en dehors de la structure du ligand chiral, avaient une influence inattendue sur l'énantiosélectivité de la réaction. Leur influence est cependant totalement prise en charge dans le cas des métalloenzymes, la première ainsi que la deuxième sphère de coordination du métal étant fixées.

Il existe une approche biocatalytique, basée sur la construction raisonnée ou la sélection de métalloenzymes efficaces par des techniques d'évolution dirigée.

Mais, globalement, les approches chimiques et biochimiques sont complémentaires. Un catalyseur hybride comprenant une partie protéique et un complexe métallique représente donc une solution catalytique idéale.

L'objectif de notre projet est de mettre au point des catalyseurs hybrides actifs dans le cadre d'oxydations en privilégiant les réactions de transferts d'oxygène asymétriques. L'avantage de cette méthode est que l'optimisation de ces catalyseurs se fera à la fois par mutagenèse dirigée et par « mutagenèse chimique » (la structure du catalyseur inorganique pouvant être modifiée). Nous avons choisi de privilégier des interactions non covalentes entre les deux partenaires de l'hybride.
Les premiers résultats du laboratoire dans ce domaine reposent sur l'introduction de complexes MnSalen modifiés dans de l'albumine du sérum humain (HSA). Nous avons pu alors démontrer qu'il existe une synergie entre les deux partenaires de l'hybride car nous observons une sélectivité de la réaction d'oxydation, ici un transfert d'oxo sur un thioéther, seulement dans le cas de l'hybride. [Rousselot-Pailley et al. Chembiochem, 2009]

Si ces métalloenzymes artificielles offrent conceptuellement des perspectives énormes pour la chimie verte, il faut encore relever un défi technologique pour développer par ingénierie des enzymes efficaces pour la production de chaque molécule d'intérêt. Pour cela, il faut trouver le meilleur couple protéine/catalyseur, comprendre son fonctionnement, et l'adapter…
Nous venons néanmoins de réaliser une étape essentielle du développement de ces métalloenzymes. Une méthode qui permet de suivre la réaction chimique au niveau du site actif au cours du temps a été mise au point au laboratoire. Elle nous offre ainsi une vision en direct de la réaction du catalyseur avec son substrat et devrait permettre de définir à l'avenir les déterminants structuraux du contrôle énantiosélectif de la metalloenzyme artificielle. En collaboration avec l'équipe métalloprotéines du LCCP à l'IBS (C. Cavazza, J. Fontecilla-Camps), il est maintenant possible de suivre étape par étape une hydroxylation aromatique catalysée par un complexe inorganique de fer au sein de la protéine NiKA. Cette métalloenzyme artificielle cristallisée est observée en direct par cristallographie de diffraction des rayons X et  l'évolution de la réaction au sein même du cristal est ainsi suivie. Ce dernier permet la diffusion des substrats et des intermédiaires de la réaction. L'enzyme reste active ; la réaction peut se faire et il est possible d'en suivre les différentes étapes in cristallo. [Cavazza et al. Nature Chemistry, 2010]


Cette méthode devient maintenant essentielle pour le futur de nos projets.

Pour conclure, notre volonté est de proposer un jour une solution clef en main où l'association d'une protéine permette une catalyse asymétrique dont la nature sera dictée par le complexe intégré. Cette modularité reste aujourd'hui encore une originalité du domaine de la catalyse alors qu'elle est depuis longtemps appliquée dans les biotechnologies.


Publications

Lopez S, Rondot L, Cavazza C, Iannello M, Boeri-Erba E, Burzlaff N, Strinitz F, Jorge-Robin A, Marchi-Delapierre C and Ménage S
Efficient conversion of alkenes to chlorohydrins by a Ru-based artificial enzyme.
Chemical Communications, 2017, 53(25): 3579-3582

Lopez S, Rondot L, Leprêtre C, Marchi-Delapierre C, Ménage S and Cavazza C
Cross-linked artificial enzyme crystals as heterogeneous catalysts for oxidation reactions.
Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(49): 17994-18002

Rondot L, Girgenti E, Oddon F, Marchi-Delapierre C, Jorge-Robin A and Ménage S
Catalysis without a headache: Modification of ibuprofen for the design of artificial metalloenzyme for sulfide oxidation.
Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2016, 416: 20-28

Marchi-Delapierre C, Rondot L, Cavazza C and Ménage S
Oxidation catalysis by rationally designed artificial metalloenzymes.
Israel Journal of Chemistry, 2015, 55(1): 61-75

Rull J, Nonglaton G, Costa G, Fontelaye C, Marchi-Delapierre C, Ménage S and Marchand G
Functionalization of silicon oxide using supercritical fluid deposition of 3,4-epoxybutyltrimethoxysilane for the immobilization of amino-modified oligonucleotide.
Applied Surface Science, 2015, 354: 285-297

Esmieu C, Cherrier MV, Amara P, Girgenti E, Marchi-Delapierre C, Oddon F, Iannello M, Jorge-Robin A, Cavazza C and Ménage S
Oxygenase built from scratch: Substrate binding site identified using a docking approach.
Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(14): 3922-3925

Hall N, Orio M, Jorge-Robin A, Gennaro B, Marchi-Delapierre C and Duboc C
Vanadium thiolate complexes for efficient and selective sulfoxidation catalysis: A mechanistic investigation.
Inorganic Chemistry, 2013, 52(23): 13424-13431

Cherrier MV, Girgenti E, Amara P, Iannello M, Marchi-Delapierre C, Fontecilla-Camps JC, Ménage S and Cavazza C
The structure of the periplasmic nickel-binding protein NikA provides insights for artificial metalloenzyme design.
Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2012, 17(5): 817-829

Oddon F, Girgenti E, Lebrun C, Marchi-Delapierre C, Pécaut J and Ménage S
Iron coordination chemistry of N
2Py2 ligands substituted by carboxylic moieties and their impact on alkene oxidation catalysis.
European Journal of Inorganic Chemistry, 2012, 2012(1): 85–96

Cavazza C, Bochot C, Rousselot-Pailley P, Carpentier P, Cherrier MV, Martin L, Marchi-Delapierre C, Fontecilla-Camps JC and Menage S
Crystallographic snapshots of the reaction of aromatic C-H with O2 catalysed by a protein-bound iron complex.
Nature Chemistry, 2010, 2(12): 1069-1076

Hazimeh H, Mattalia JM, Marchi-Delapierre C, Kanoufi F, Combellas C and Chanon M
Structural effects in radical clocks and mechanisms of grignard reagent formation: Special effect of a phenyl substituent in a radical clock when the crossroads of selectivity is at a metal/solution interface.
European Journal of Organic Chemistry, 2009, 2009(17): 2775-2787

Rousselot-Pailley P, Bochot C, Marchi-Delapierre C, Jorge-Robin A, Martin L, Fontecilla-Camps JC, Cavazza C and Ménage S
The protein environment drives selectivity for sulfide oxidation by an artificial metalloenzyme.
Chembiochem, 2009, 10(3): 545-552

Marchi-Delapierre C, Jorge-Robin A, Thibon A and Ménage S
A new chiral diiron catalyst for enantioselective epoxidation.
Chemical Communications, 2007, 11: 1166-1168

Mattalia JM, Marchi-Delapierre C, Hazimeh H and Chanon M
The reductive decyanation reaction: Chemical methods and synthetic applications.
Arkivoc, 2006, 0000

Gimbert C, Lumbierres M, Marchi C, Moreno-Manas M, Sebastian RM and Vallribera A
Michael additions catalyzed by phosphanes.
Tetrahedron, 2005, 61: 8598-8605

Hazimeh H, Mattalia JM, Marchi-Delapierre C, Barone R, Nudelman NS and Chanon M
Radical clocks and electron transfer. Compared crown ether effects in the reactivity of potassium and magnesium towards 1-bromo-2-but-3-énylbenzene. The incidence of homogeneous versus heterogeneous electron transfer on selectivity.
Journal of Physical Organic Chemistry, 2005, 18: 1145-1160