GH70 dextransucases : Insights on the molecular determinants of dextran molar mass control

par Marion Claverie

Thèse de doctorat en Ingenieries microbienne et enzymatique

Sous la direction de Magali Remaud.

Soutenue le 20-12-2017

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École Doctorale Sciences Écologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (laboratoire) et de Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Monsan.

Le jury était composé de Magali Remaud, Bernd Nidetzky, Mirjam Czjzek, Harry Gilbert, Claire Moulis.

Les rapporteurs étaient Bernd Nidetzky, Mirjam Czjzek.

  • Titre traduit

    Dextransucrases de la famille GH70 : investigations sur les déterminants moléculaires du contrôle de la masse molaire des dextranes produits


  • Résumé

    Les glucane-saccharases (GS) de la famille GH70 sont des enzymes produites par certaines bactéries lactiques. A partir de saccharose, substrat renouvelable et peu coûteux, elles sont capables de catalyser la synthèse d’α-glucanes, homopolysaccharides dont les propriétés diffèrent suivant la spécificité de l’enzyme (taille, type de liaisons α-osidiques, degrés de branchement). Les glucanes contenant une très grande majorité de liaisons α-(1,6), appelés dextranes, présentent de nombreuses applications industrielles qui dépendent principalement de leur taille. Cependant, la synthèse directe de dextranes de taille contrôlée (de 1 à plusieurs millions de kg/mol) avec une faible polydispersité et en utilisant une seule enzyme n’est encore pas envisageable. En effet, les mécanismes moléculaires mis en jeu pour le contrôle de la taille des polymères produits n’ont encore été que peu explorés. Dans ce contexte, deux GSs ont été sélectionnées. La première, DSR-M synthétise uniquement des dextranes de faible masse molaire (MM) (28 kg/mol) exclusivement composés de liaisons α-(1,6). A contrario, le second modèle, DSR-OK produit le plus long dextrane décrit à ce jour (>109 g/mol). La caractérisation biochimique et structurale ainsi que la construction de mutants ont permis l’exploration du mode d’action de ces deux candidats. Plusieurs structures 3D de DSR-M2 (forme tronquée de DSR-M) - sans ou en complexe avec son substrat ou ses produits (isomaltotetraose) - ont été résolues. C’est la première fois que de tels complexes sont décrits et l’une de ces structures présente le domaine V le plus complet décrit à ce jour. L’analyse de ces structures couplée au suivi cinétique de la synthèse du polymère ont montré que la spécificité de DSR-M pour la synthèse de dextranes courts s’explique par un mode d’élongation distributif dû à la faible affinité de deux poches à sucre de son domaine V envers la chaîne en cours de synthèse. Des analyses RMN (15N1H – HSQC) – jamais réalisées auparavant sur une protéine si grosse – ont également étayé l’importance de la présence de résidus aromatiques dans le domaine catalytique pour la synthèse de dextranes supérieurs à 2 kg/mol. En comparaison, la synthèse de dextranes de haute MM par DSR-OK est principalement due au plus grand nombre de poches à sucre de son domaine V, permettant d’assurer une meilleure interaction avec la chaîne en cours d’élongation. L’implication de ces poches dans la détermination de la taille du dextrane a été montrée pour les deux candidats. Leur fonctionnalité est fortement liée à la présence d’un résidu aromatique de stacking, et leur répartition le long du domaine V a aussi une influence. L’ensemble de ces résultats démontre la coopération du domaine V avec le domaine catalytique pour l’élongation des dextranes, tout en offrant de nouvelles perspectives pour approfondir la compréhension de ce mécanisme. Ils offrent également des stratégies prometteuses pour l’ingénierie d’enzyme de la famille des GH70 pour la modulation de la taille des glucanes.


  • Résumé

    Glucansucrases (GS) from glycoside hydrolase family 70 (GH70) are -transglucosylases produced by lactic acid bacteria. From sucrose, an economical and abundant agro resource, they catalyze the polymerization of glucosyl residues. Depending on the enzyme specificity, α-glucans vary in terms of size, types of glucosidic bonds and degree of branching and have found multiple industrial applications mainly related to their molar mass (MM). However synthesizing polymers of controlled size with average MM ranging from 1 kg/mol to several millions g/mol and low polydispersity using one single enzyme remains challenging. Indeed, the molecular mechanisms underpinning the control of polymer size have been scarcely explored. To tackle this question, two GSs producing dextran (glucan composed of a majority of α-(1,6) linkages) were selected, and their mode of action explored via biochemical and structural analyses coupled to mutagenesis. The first enzyme selected, called DSR-M synthesizes only low molar mass (LMM) dextran (28 kg/mol) exclusively composed of -(1→6) linkages without any trace of HMM dextran (105 to 108 g/mol). In contrast, DSR-OK (second model), produces the highest MM dextran (>109 g/mol) described to date. Several 3D crystallographic structures of a truncated form of DSR-M (DSR-M2), either free or in complex with its substrate or product (isomaltotetraose) in the domain V or in the active site were solved. Such complexes were never obtained before. Noteworthy, one structure encompassed the most complete domain V reported to date. Analyses of these structures coupled to dextran synthesis monitoring, showed that the LMM dextran specificity of DSR-M2 is explained by a distributive elongation mode due to the weak affinity of its two sugar binding pockets in the domain V which interact with the growing dextran chains and allow the synthesis of dextran longer than 16 kg/mol. 15N1H NMR analyses (HSQC), for the first time performed with such a big protein, further revealed the crucial role of aromatic residues in the catalytic domain for the production of dextran from 2 to 16 kg/mol. In comparison, synthesis of HMM dextran by DSR-OK was shown to be mainly due to the sugar binding pockets of its domain V, ensuring much stronger interactions with growing dextran chains. The role of these pockets was evidenced for both enzymes, their functionality proposed to be linked to the presence of one aromatic stacking residue. Their positioning along domain V relatively to the active site is also important to promote efficient binding. All these findings highlight the cooperation between domain V and the catalytic domain for dextran elongation, offer new perspectives to acquire a deeper knowledge on this interplay and open promising strategies for GH70 enzyme engineering aiming at modulating glucan size.


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