La partition Hydrolyse / Transglycosylation chez les Glycoside Hydrolases : Proposition d’une hypothèse de synthèse à travers l’évolution moléculaire d’une α-L-arabinofuranosidase de la famille GH51 vers les premières transarabinofuranosylases de type non-Leloir

On hydrolysis / transglycosylation modulation in glycoside hydrolases : lessons learnt from the molecular design of the first non-Leloir transarabinofuranosylases.

• Auteur / Autrice : Bastien Bissaro
• Direction : Pierre Monsan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Microbienne et Enzymatique
• Date : Soutenance le 15/09/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés [LISBP]
• Jury : Président / Présidente : Antoni Planas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Monsan, Monique Axelos, Regis Faure, Michael O'donohue, Morten Sorlie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leila Lo leggio, Marco Moracci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glycosidases

Furanose

CAZymes

Enzymes microbiennes

Biotechnologie

Mots clés libres

Transglycosylation

Arabinofuranosidase

Evolution Dirigée

Ingénierie Rationnelle

Mécanisme enzymatique

Pentoses

Furanoses

Transglycosylation

Arabinofuranosidase

Directed Evolution

Rational Engineering

Enzymatic Mechanism

Pentoses

Furanoses

Résumé

Élargir le répertoire de composés accessibles dans le domaine des Glycosciences est d’un intérêt majeur pour la communauté des biologistes du fait que ces composés, oligosaccharides et glyco-conjugués, sont impliqués dans diverses fonctions biologiques, aussi bien au niveau structurel, qu’énergétique voire même signalétique jouant un rôle primordial dans les interactions inter- ou intracellulaires. L’assemblage, la modification ou la déconstruction de ces glyco-structures complexes est possible grâce à l’action d’enzymes, parmi lesquelles l’on retrouve les CAZymes (Carbohydrate Active enZymes). Ces enzymes font partie du répertoire de la base de données CAZy, incluant les Glycoside Hydrolases (GHs) qui représentent le groupe le plus important et ayant pour fonction biologique principale l’hydrolyse des liens glycosidiques. Cependant, un certain nombre de GHs possède aussi la capacité de catalyser des réactions de synthèse (transglycosylation) en tant qu’activité secondaire mineure, voire en tant qu’activité principale pour un nombre restreint d’entre elles, qui sont alors appelées transglycosylases. Sachant que ces deux types de comportements peuvent se retrouver au sein d’une même famille de GH (donc étroitement liés sur le plan évolutif), la découverte et la compréhension des déterminants moléculaires qui ont été développés par les GHs au cours de leur évolution pour permettre cette partition d’activité, entre hydrolyse et transglycosylation, est d’une importance capitale pour le domaine de la synthèse chimio-enzymatique et des Glycosciences de manière plus générale.Ce travail de thèse décrit une proposition de synthèse pour apporter une réponse à cette question fondamentale via une revue critique de la littérature sur le sujet. Sur le plan expérimental, a été réalisée l’évolution moléculaire d’une enzyme spécifique des pentoses, l’α-L-arabinofuranosidase de Thermobacillus xylanilyticus (TxAbf) de la famille GH51, vers les premières transarabinofuranosylases de type ‘non-Leloir’. Cette évolution itérative a été développée en utilisant un panel d’outils d’ingénierie enzymatique combinant des approches aléatoire, semi-rationnelle, de prédiction in silico suivie de recombinaison dans un processus d’évolution dirigée global. Une analyse fine des mutants générés sur le plan mécanistique en lien avec la partition hydrolyse/transglycosylation mène à des conclusions en accord avec la proposition de synthèse issue de la revue de la littérature sur le sujet. Sur un plan plus appliqué, ces nouveaux biocatalyseurs ont ensuite été mis en oeuvre dans des voies de synthèse chimio-enzymatiques pour la préparation de composés furanosylés de structure contrôlée. Le transfert d’L-arabinofuranosyles permet la génération d’arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) ainsi que la conception d’oligosaccharides non naturels, tel que des galactofuranoxylo-oligosaccharides ou des arabinofuranogluco-oligosaccharides. Dans son ensemble, ce travail de recherche constitue les premières étapes clés du développement de méthodes de synthèse chimio-enzymatique plus élaborées pour la conception d’arabinoxylanes artificiels. Dans le contexte actuel de transition vers une bio-économie, reposant sur des concepts tels que ceux de la bioraffinerie ou de la chimie verte, nous espérons que les outils de glycosynthèse développés au cours de ces travaux trouveront leur application dans la valorisation des pentoses issus de la biomasse. La synthèse à-façon d’arabinoxylooligo- et polysaccharides présente nombre de valorisations possibles allant de la préparation de prébiotiques à la conception de matériaux bio-inspirés en passant par la synthèse de modèles de parois végétales.

Widening the spectrum of available compounds in the field of Glycosciences is of utmost importance for the entire biology community, because carbohydrates are determinants of a myriad of life-sustaining or threatening processes. The assembly, modification or deconstruction of complex carbohydrate-based structures mainly involves the action of enzymes, among which one can identify Carbohydrate Active enZymes (CAZymes). These enzymes form part of the CAZy database repertoire and include Glycoside Hydrolases (GHs), which are the biggest group of CAZymes, whose main role is to hydrolyze glycosidic linkages. However, some GHs also display the ability to perform synthesis (transglycosylation), an activity that mostly manifests itself as a minor one alongside hydrolysis, but which is the only activity displayed by a rather select group of GHs that are often called transglycosylases. Understanding how transglycosylases have resulted from the process of evolution is both intringuing and crucial, because it holds the key to the creation of tailored glycosynthetic enzymes that will revolutionize the field of glycosciences.In this thesis, an extensive review of relevant scientific literature that treats the different aspects of GH-catalyzed transglycosylation and glycosynthesis is presented, along with experimental results of work that has been performed on a family GH-51 α-L-arabinofuranosidase, a pentose-acting enzyme from Thermobacillus xylanilyticus (TxAbf). The conclusions of the literature are presented in the form of a hypothesis, which describes the molecular basis of the hydrolysis/transglycosylation partition and thus provides a proposal on how to engineer dominant transglycosylation activity in a GH. Afterwards, using a directed evolution approach, including random mutagenesis, semi-rational approaches, in silico predictions and recombination it has been experimentally possible to create the very first ‘non-Leloir’ transarabinofuranosylases. The mechanistic analysis of the resultant TxAbf mutants notably focusing on the hydrolysis/transglycosylation partition reveals that the results obtained are consistent with the initial hypothesis that was formulated on the basis of the literature review.To demonstrate the applicative value of the experimental work performed in this study, the TxAbf mutants were used to develop a chemo-enzymatic methodology that has procured a panel of well-defined furanosylated compounds. Enzyme-catalyzed transfer of arabinofuranosyl moities can be used to generate arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS), but the design of non-natural oligosaccharides, such as galactofuranoxylo-oligosaccharides or arabinofuranogluco-oligosaccharides is also possible. Overall, the work presented constitutes the first steps towards the development of more sophiscated methodologies that will procure the means to synthesize artificial arabinoxylans, with a first proof of concept being presented at the very end of this manuscript.In the present context of the bioeconomy transition, which relies on technologies such as biorefining and green chemistry, it is expected that the glycosynthetic tools that have been developed in this work will be useful for the conversion of pentose sugars obtained from biomass. The synthesis of tailor-made arabinoxylo-oligo- and polysaccharides may lead to a variety of potential applications including the production of prebiotics, surfactants or bio-inspired materials and, more fundamentally, the synthesis of artificial models of plant cell wall.