Caractérisation d'arène dioxygénases impliquées dans la biodégradation des hydrocarbures aromatiques polycycliques chez Mycobacterium sp. 6PY1

Caracterization of arene dioxygenases involved in polycyclic aromatic hydrocarbons biodegradation in Mycobacterium sp. 6PY1

• Auteur / Autrice : Sylvain Kuony
• Direction : Yves Jouanneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Virologie, microbiologie, immunologie
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Résumé

Cette thèse traite de la biodégradation par les bactéries d'une catégorie de polluants appelés hydrocarbures aromatiques polycycliques ou HAP. La bactérie Mycobacterium sp. 6PY1 a été isolée d'un sol pollué pour sa capacité à utiliser un HAP à 4 cycles, le pyrène, comme seule source de carbone et d'énergie. Pour comprendre comment le pyrène est métabolisé, l'identification des enzymes impliquées a été entreprise par une approche protéomique. Cette approche a notamment mis en évidence dans la souche 6PY1 deux arène dioxygénases, enzymes susceptibles de catalyser l'attaque initiale du pyrène. L'objectif de cette étude consistait à cloner les gènes de structure des arène dioxygénases identifiées chez Mycobacterium 6PY1, à surexprimer ces gènes en système hétérologue pour faciliter la purification des enzymes correspondantes, et à déterminer les propriétés biochimiques et catalytiques de ces enzymes. Les gènes pdoA1B1 codant la composante terminale d'une dioxygénase ont été clonés et surexprimés chez E. Coli. Les propriétés catalytiques de cette enzyme, appelée Pdo1, ont été déterminées in vivo en dosant les produits d'oxydation de HAP composés de 2 à 4 cycles par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG/SM). L'analyse de la sélectivité de l'enzyme, déterminée de cette façon montre que Pdo1 oxyde préférentiellement des HAP à 3 ou 4 cycles, comme le phénanthrène et le pyrène, mais n'attaque pas les di-aromatiques comme le naphtalène et le biphényle. La protéine Pdo1 s'est révélée instable et n'a été purifiée que sous forme inactive. Les gènes de structure d'une seconde composante dioxygénase ont été repérés dans un locus comportant deux autres gènes cataboliques. Les gènes pdoA2B2 codent pour une enzyme, appelée Pdo2, montrant une spécificité étroite vis-à-vis des HAP à 2 ou 3 cycles aromatiques et une nette préférence pour le phénanthrène. La protéine Pdo2 purifiée est un hexamère de type α3β3, possédant des centres [2Fe-2S] de type Rieske qui lui confèrent un spectre d'absorbance caractéristique. Des gènes susceptibles de coder pour une troisième dioxygénase ont été découverts dans le génome de Mycobacterium sp. 6PY1. Ces gènes sont très proches en séquence de ceux codant pour Pdo1, suggérant que la bactérie synthétise deux iso-enzymes capables d'oxyder le pyrène. Le fonctionnement des arène dioxygénases requiert deux protéines transporteurs d'électrons de type ferrédoxine et réductase. Celles qui sont associées aux enzymes Pdo1 et Pdo2 n'ont pas été identifiées. Cependant, l'activité des deux dioxygénases de la souche 6PY1 a été stimulée in vivo en co-exprimant dans E. Coli des gènes accessoires recrutés d'autres bactéries. Enfin, des expériences d'immunodétection à l'aide d'anticorps spécifiques ont montré que les enzymes Pdo1 et Pdo2 sont co-induites en présence de HAP mais ne sont pas régulées de la même manière en fonction des conditions de croissance.

This thesis deals with the bacterial biodegradation of pollutants called polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The bacterium Mycobacterium sp. 6PY1 was isolated from a polluted soil for its ability to use pyrene, a 4-ring PAH, as sole source of carbon and energy. To learn about the pyrene metabolic pathway, the identification of the enzymes involved in this process has been undertaken using a proteomic approach. This approach revealed the occurrence of two ring-hydroxylating dioxygenases in strain 6PY1, which could catalyze the initial attack of pyrene. The goal of this study was to clone the genes encoding the dioxygenases identified in Mycobacterium sp. 6PY1, over-express these genes in an heterologous system in order to facilitate the purification of the corresponding enzymes, and determine the biochemical and catalytic properties of these enzymes. The pdoA1B1 genes encoding the terminal component of a dioxygenase were cloned and overexpressed in Escherichia coli. The catalytic properties of this enzyme, called Pdo1, were determined in vivo by measuring the oxidation products of 2- to 4-ring PAHs by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS). Analysis of the selectivity of the enzyme, as determined using GC-MS, showed that Pdo1 preferentially oxidized 3- or 4-ring PAHs, including phenanthrene and pyrene, but was inactive on diaromatic compounds such as naphthalene and biphenyl. Pdo1 was unstable and was therefore purified in inactive form. The genes encoding a second dioxygenase component were found in a locus containing two other catabolic genes. The pdoA2B2 genes encoded an enzyme called Pdo2 showing a narrow specificity towards 2- to 3-ring PAHs, and a high preference for phenanthrene. Pdo2 is an α3β3 hexamer, containing [2Fe-2S] Rieske clusters which confer it a characteristic absorbance spectrum. A third set of genes possibly encoding another dioxygenase was discovered in the genome of Mycobacterium sp. 6PY1. This set is closely similar in sequence to that encoding Pdo1, suggesting that both isoenzymes are able two oxidize pyrene. In order to function, the ring-hydroxylating dioxygenases require two electron-transfer proteins : a ferredoxin and a reductase. The electron carriers associated to Pdo1 and Pdo2 were not identified. However, the activity of the two dioxygenases was stimulated in vivo by co-expressing accessory genes recruited from other bacteria. Finally, immunodetection experiments using specific antibodies showed that the enzymes Pdo1 and Pdo2 were co-induced in the presence of PAHs, but differentially regulated according to growth conditions.