Résumé (fr)

ERMOE et MC2 sont des projets de recherche fondamentale coordonnés par le laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines, à Marseille. Ils associent aussi les laboratoires de Chimie Bactérienne (CNRS, Marseille) et le laboratoire de Bioénergétique Cellulaire (CEA, Cadarache). Le projet a commencé à l’automne 2006 et a été renouvelé en 2011.

Structure et fonction de molybdoenzymes bactériennes de type « DMSO réductase »

Etude de tous les aspects du fonctionnement de molybdoenzymes aux structures complexes, en lien avec leurs propriétés catalytiques

Dans le monde vivant, les réactions chimiques sont catalysées par des molécules biologiques appelées « enzymes ». Ce sont de très grosses molécules (leur poids moléculaire varie entre 60 et 1000 kg/mol) qui sont souvent formées par l’assemblage de plusieurs protéines, et l’incorporation d’éléments non protéiques (par exemple métalliques) appelés cofacteurs. Le cofacteur où se produit la réaction chimique (le « site actif ») est souvent enfoui au coeur de la protéine. D’autres éléments structuraux permettent les transferts d’électrons et de protons. Nous nous sommes intéressés à une famille d’enzymes principalement bactériennes, caractérisées par un site actif organisé autour d’un seul ion métallique molybdène.

Les structures des enzymes de cette famille sont très diverses en terme d’architecture et de nombre et nature des cofacteurs, et leur mécanisme catalytique est réellement délocalisé sur des molécules dont la taille peut atteindre 15nm. Ces enzymes catalysent spécifiquement des réactions de transferts de groupement oxo, comme la réduction du nitrate ou l’oxydation de l’arsénite. Ce sont des réactions qui jouent des rôles importants dans les grands cycles naturels de la matière et dans le métabolisme de nombreuses bactéries; elles pourront aussi être mises à profit dans des dispositifs de dépollution ou de contrôle de contaminants (arsenic). Le mécanisme catalytique de ces enzymes est cependant encore méconnu, et l’on ne comprend pas ce qui détermine la spécificité de chaque enzyme.

Approche pluridisciplinaire basée sur la comparaison d’enzymes homologues, la mutagenèse dirigée et des techniques biophysiques

L’originalité de notre approche vient de notre volonté de chercher à comparer des enzymes homologues, plutôt que de se concentrer sur une seule, et de sa nature pluridisciplinaire. Nous avons sélectionné deux nitrates réductases et deux arsénites oxydases comme systèmes modèles sur les critères suivant : (1) Afin d’illustrer la diversité de réactivité, de structure du site actif et d’architecture oligomérique des enzymes de cette famille. (2) Pour l’intérêt des réactions catalysées en lien avec des préoccupations d’ordre environnemental et sociétal. (3) Parce que nous possédions la maîtrise de l’échantillon biologique que nécessite la mise en œuvre de techniques spectroscopiques gourmandes en matériel biologique. (4) Pour la facilité avec laquelle ces enzymes sont modifiées sélectivement par des techniques de biologie moléculaire. (5) Et avec pour objectif d’ajouter de nouvelles enzymes à celles déjà en cours d’investigation dans nos équipes. Nous avons étudié ces systèmes avec des techniques cinétiques modernes (en particulier électrochimiques), des spectroscopies optiques et magnétiques avancées ou résolues en temps, la cristallographie, la biochimie et la mutagenèse dirigée.

Nous nous sommes intéressés à tous les aspects du fonctionnement de ces enzymes: aux propriétés structurales, électroniques et rédox des sites actifs à molybdène, à la dynamique du transfert d’électrons intramoléculaire, aux sites rédox membranaires et la réactivité vis-à-vis des quinones. Nous avons entre autres pu examiner en grand détail le site de fixation des quinones dans la nitrate réductase membranaire, les liens évolutifs entre l’arsénite oxydase et certaines enzymes homologues, et remettre en question des travaux antérieurs interprétant les signatures spectrales du site actif de la nitrate réductase périplasmique.

L’ensemble de ces résultats a été publié à ce jour dans des articles parus dans des revues internationales à comité de lecture (PNAS, . Biol. Chem, Biochemistry, J. Am. Chem. Soc., Mol. Biol. Evol., J. Phys. Chem. B, Anal. Chem. etc.) et 3 chapitres de livres. Il s’agit de journaux généralistes de chimie et biochimie. Le nombre de ces publications et la qualité des journaux témoignent de l’ampleur et de l’intérêt des résultats qui ont été acquis, publiés, et aussi diffusés à la communauté à travers un nombre important de communications orales dans des congrès nationaux et internationaux.

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