Développement de flavo-enzymes artificielles pour la chimie radicalaire et l'activation du dioxygène dans l'eau

par Yoan Chevalier

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Jean-Pierre Mahy et de Frédéric Avenier.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2016 .


  • Résumé

    Le projet ARTENOSYN vise à développer des systèmes artificiels bio-inspirés capables de catalyser d'importantes réactions organiques dans l'eau, dans des conditions douces et en utilisant des réactifs inoffensifs tel que O2. Pour cela, nous envisageons de mimer les deux activités des flavoenzymes, qui sont capables de catalyser soit des réductions, en délivrant un flux mono-électronique à un partenaire biologique, soit des réactions d'oxydation, par l'activation réductrice de O2. Et ceci avec les mêmes cofacteurs de flavine, mais localisés dans différents échafaudages de protéines. Ce projet est basé sur des résultats obtenu récemment, démontrant que l'incorporation de cofacteurs de flavine (FMN) dans un environnement localement hydrophobe (polyéthylèneimine modifiée) peut générer une réductase artificielle capable de collecter des paires d'électrons de NADH et de délivrer des électrons uniques à un partenaire redox tel que les porphyrines de manganèse (III). Ainsi, dans des conditions anaérobies, ce système doit également être capable de délivrer des électrons à des molécules organiques et d'initier des réactions radicalaires par transfert électronique unique (SET).En parallèle, dans des conditions aérobies, la flavine réduite (FMNH2) réagira avec le dioxygène pour former des intermédiaires de type organo-peroxo, connus pour effectuer des réactions d'oxydation telles que les réactions de Bayer-Villiger, d'époxydation ou de sulfoxydation. La première étape du projet sera de synthétiser des bibliothèques de polyéthylèneimines modifiées afin de mieux comprendre comment leur hydrophobicité peut influencer les paramètres cinétiques et thermodynamiques du transfert d'électrons. Ensuite, les réactions radicalaire et d'oxydation seront étudiées et finalement combinées en un système en tandem. Enfin, des polyéthylèneimines chiraux seront également synthétisées par simple dérivatisation avec des substituants chiraux, afin d'effectuer des réactions de radical catalytique asymétrique et / ou des réactions d'oxydation asymétriques catalytiques.

  • Titre traduit

    Artificial flavoenzymes for radical chemistry and dioxygen activation in water.


  • Résumé

    The present ARTENOSYN project aims at developing bioinspired artificial systems capable of catalysing important organic reactions in water, under mild conditions and using harmless reactants such as O2. For this purpose, we are planning to mimic both activities of flavoenzymes, which and capable of catalysing either reduction reactions, by delivering single electrons to a biologic partner, or oxidation reactions, by the reductive activation of O2, and this with the same flavin cofactors, but located in different protein scaffolds. This project is based on recent interesting results obtained by partner 1, demonstrating that the incorporation of flavin cofactors (FMN) into the local microenvironment of a water soluble polymer (modified polyethyleneimine), can generate an artificial reductase capable of collecting electron pairs from NADH and then delivering single electrons to a redox partner such as manganese(III) porphyrins. Thus, under anaerobic conditions, this system must also be able to deliver single electrons to organic molecules into a locally hydrophobic microenvironment and initiate radical reaction by single electron transfer (SET). Partner 2 is an expert on these radical reactions and a large scope of reactions will be evaluated. Alternatively, under aerobic conditions, the reduced flavin (FMNH2) will react with dioxygen to form organo-peroxo intermediates, which is known to perform oxidation reactions such as Beyer-Villiger, epoxydation or sulfoxidation reactions. The first task of the proposal will be to synthesize libraries of modified polyethyleneimines in order to better understand how their hydrophobicity may influence the kinetic and thermodynamic parameters of the electrons transfer. Then, both radical and oxidation reactions will be thoroughly studied and eventually combined into a tandem system. Finally, chiral polyethyleneimines will also be synthesized by simple derivatization with chiral substituents, in order to perform catalytic asymmetric radical reactions and/or catalytic asymmetric oxidation reactions