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Biosynthèse de cofacteurs multimétalliques à nickel

Publié le 29 janvier 2019


Responsable

Dr Christine Cavazza
Chercheur CEA

Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux
CEA-Grenoble
17 avenue des Martyrs
38 054 Grenoble cedex 09

Tel : (33) 4 38 78 91 16


Biosynthèse de cofacteurs multimétalliques à nickel

Les métalloenzymes sont des catalyseurs extrêmement efficaces en terme d’activité et de sélectivité, capables de fonctionner en conditions douces. Parmi elles, plusieurs enzymes contenant des sites métalliques complexes, telle que l’hydrogénase, la monoxyde de carbone deshydrogénase (CODH) et l’acétyl-coenzyme A synthétase, sont impliquées dans l’utilisation biologique du CO, du CO2 et du dihydrogène. Ces enzymes sont sensibles à l’oxygène et sont retrouvées principalement dans des environnements anoxiques. Elles présentent toutes une caractéristique remarquable qui est la présence de cofacteurs surprenants, enfouis au cœur de la protéine, composés de centres Fe/S liés à des métaux tels que le nickel et/ou à des ligands diatomiques tels que le CN- ou le CO. En raison de leur complexité, leur assemblage et leur insertion au sein de l’enzyme-cible requièrent des voies de maturation spécifiques et élaborées. D’un point de vue fondamental, la compréhension de leurs voies de biosynthèse est de ce fait devenue au cours de ces dernières années un sujet ambitieux dans le domaine de la chimie bio-inorganique.

L’intérêt pour des enzymes à nickel telles que l’hydrogenase à [NiFe] or [NiFe]-CODH s’est développé ces dernières années en raison de la recherche de nouvelles énergies et du développement de nouvelles méthodes de séquestration du CO
2. Dans ce domaine, notre intérêt se porte plus particulièrement sur la maturation de la CODH.
Le site actif de la CODH est unique en biologie et sa biosynthèse intrigue à la fois les chimistes et les biologistes. Bien que la synthèse d’analogues de sites actifs de métalloenzymes reste un défi pour les chimistes, les tentatives de synthèses de modèles bio-inspirés du site actif de la CODH n’ont à ce jour pas été couronnées de succès. Une meilleure connaissance de la synthèse et de l’insertion du site actif au cœur de l’enzyme pourraient ouvrir de nouvelles perspectives à la fois dans le domaine de la chimie biomimétique qu’en ingénierie des protéines.
Chez les bactéries acétogènes, telles que Moorella thermoacetica, la CODH forme un complexe bifonctionnel avec l’ACS (le complexe CODH/ACS), couplant ainsi la réduction du CO
2 en CO à la synthèse d’acétyl-CoA. Les bactéries hydrogénogènes carboxydotrophes telles que Rhodospirillum rubrum, sont quant à elles capables d’utiliser le CO comme seule source de carbone et d’énergie, grâce à une CODH monofonctionnelle. Dans ce cas, l’oxydation du CO en CO2, est couplée à la production de dihydrogène, catalysée par une hydrogénase à [NiFe].

Dans la famille des CODH, notre sujet d’étude porte sur deux CODH monofonctionnelles, celle de Carboxydothermus hydrogenoformans et celle de Rhodospirillum rubrum. Leur structure cristallographique a révélé la nature atypique de leur site actif (appelé cluster C), constitué d’un centre [Ni-Fe
4-S4] (Figure). Des centres Fe4S4 additionnels sont présents afin de transférer les électrons du site actif vers une ferrédoxine appelée, CooF, qui transfère les électrons vers l’hydrogénase.



Structure d’un homodimère de RrCODH (PDB code: 1JQK).
A : Les deux monomères sont en bleu et cyan. Les centres Fe
4S4 et le cluster C sont en orange.
B : cluster C. Le nickel est en vert, le fer en rouge et le soufre en jaune.


Aujourd’hui, notre but est de déchiffrer la biosynthèse de la CODH afin de comprendre comment l’enzyme est maturée et comment le cluster C est formé et inséré en utilisant des approches biochimiques, structurales et spectroscopiques.

Le complexe impliqué dans l’insertion du nickel
Chez R. rubrum, l’opéron cooFSCTJ est présent en aval de l’opéron hydrogénase. L’opéron coo contient 5 gènes qui codent pour la ferrédoxine CooF, CooS (CODH) et trois protéines additionnelles impliquées dans l’insertion du nickel : i) La protéine CooC, dépendante de l'ATP, qui est similaire à la GTPase HypB impliquée dans la maturation de l’hydrogénase, ii) La métallochaperone CooJ (similaire à UreE impliquée dans la maturation de l’uréase) contient un motif à nickel à l'extrémité C-terminale comprenant 16 histidines et iii) CooT, une petite protéine composée de 66 acides aminés dont la fonction est inconnue. De manière surprenante, aucun gène n’est dédié à la formation et à l'insertion du centre Fe
4S4 présent dans le cluster C, R. rubrum présente la particularité de posséder trois protéines distinctes nécessaires à l'insertion du nickel alors que la plupart des organismes exprimant la CODH possèdent seulement CooC. Actuellement, nous étudions le rôle des différentes protéines Coo et leur mode d’interaction.

Le processus d’assemblage du centre Fe/S au niveau du cluster C
Des études antérieures ont montré que le centre Fe/S est inséré avant le nickel. En effet, lorsque la CODH est produite dans des milieux dépourvus en nickel, l'enzyme purifiée correspond à une forme inactive contenant uniquement le centre Fe
4S4. L'enzyme peut ensuite être activée in vitro par addition d'un excès d'ions nickel en conditions réductrices. Nous cherchons à identifier les machineries cellulaires impliquées dans la synthèse du cluster Fe4S4. La compréhension de la biosynthèse de l'unité « FeS » du cluster C dans la CODH nous donnera des informations sur la capacité des machineries d’assemblage des centres Fe/S à participer à la synthèse de sites actifs métalliquescomplexes.

Supports financiers :
Académie des sciences, Fondation del Duca
Projets Exploratoires 2017 – Cellule Energie CNRS
Projets exploratoires émergents – Pôle CBS - IRS 2016/2017

Collaborations :
Equipe “Biophysique des Métalloprotéines”, BIP, CNRS Marseille (Elisabetta Mileo, Valérie Belle, Bruno Guigliarelli)
Laboratory of Bioinorganic Chemistry, University of Bologna, Italy (Stefano Ciurli, Barbara Zambelli)

Post-doc :
Jennifer TIMM


Étudiante en thèse :
Marila ALFANO (Bourse Irtelis)



Design de métalloenzymes artificielles
Cette thématique est réalisée en collaboration avec l'équipe Catalyse Bioinorganique et Environnement de notre laboratoire.


Publications reliées à ces thématiques

Alfano M and Cavazza C
The biologically mediated water–gas shift reaction: Structure, function and biosynthesis of monofunctional [NiFe]-carbon monoxide dehydrogenases.
Sustainable Energy & Fuels, 2018

Alfano M, Pérard J, Miras R, Catty P and Cavazza C
Biophysical and structural characterization of the putative nickel chaperone CooT from Carboxydothermus hydrogenoformans.
Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2018, 23(5): 809-817

Cavazza C, Marchi-Delapierre C and Ménage S
Chapter 7 - Hybrid catalysts for oxidation reactions In Artificial metalloenzymes and metalloDNAzymes in catalysis: From design to applications, (Ed: Montserrat Diéguez, Jan-E. Bäckvall, Oscar Pàmies), 2018, pp 199-224

Gentil S, Che Mansor SM, Jamet H, Cosnier S, Cavazza C, and Le Goff A
Oriented immobilization of [NiFeSe] hydrogenases on covalently and noncovalently functionalized carbon nanotubes for H2/Air enzymatic fuel cells.
ACS Catalysis, 2018, 8(5): 3957–3964

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

Timm J, Brochier-Armanet C, Perard J, Zambelli B, Ollagnier-de-Choudens S, Ciurli S and Cavazza C
The CO dehydrogenase accessory protein CooT is a novel nickel-binding protein.
Metallomics, 2017, 9(5): 575-583

Valette O, Tran TTT, Cavazza C, Caudeville E, Brasseur G, Dolla A, Talla E and Pieulle L
Biochemical function, molecular structure and evolution of an atypical thioredoxin reductase from Desulfovibrio vulgaris.
Frontiers in Microbiology, 2017, 8: 1855

Cavazza C
Extracytoplasmic Nickel-binding proteins In Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry, John Wiley & Sons, Ltd, 2016

Lebrette H, Borezee-Durant E, Martin L, Richaud P, Boeri Erba E and Cavazza C
Novel insights into nickel import in Staphylococcus aureus: The positive role of free histidine and structural characterization of a new thiazolidine-type nickel chelator.
Metallomics, 2015, 7(4): 613-621

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

Vinella D, Fischer F, Vorontsov E, Gallaud J, Malosse C, Michel V, Cavazza C, Robbe-Saule M, Richaud P, Chamot-Rooke J, Brochier-Armanet C and De Reuse H
Evolution of Helicobacter: Acquisition by gastric species of two histidine-rich proteins essential for colonization.
PLoS Pathogens, 2015, 11(12): e1005312

Lebrette H, Brochier-Armanet C, Zambelli B, de Reuse H, Borezee-Durant E, Ciurli S and Cavazza C
Promiscuous nickel import in human pathogens: Structure, thermodynamics, and evolution of extracytoplasmic nickel-binding proteins.
Structure, 2014, 22(10): 1421-1432

Sydor AM, Lebrette H, Ariyakumaran R, Cavazza C, and Zamble DB
Relationship between Ni(II) and Zn(II) coordination and nucleotide binding by the Helicobacter pylori [NiFe]-hydrogenase and urease maturation factor HypB.
Journal of Biological Chemistry, 2014, 289(7): 3828-3841

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

De Reuse H, Vinella D and Cavazza C
Common themes and unique proteins for the uptake and trafficking of nickel, a metal essential for the virulence of Helicobacter pylori.
Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2013, 3: 94


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

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

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