Les enzymes sont des molécules protéiques qui catalysent les réactions chimiques dans les organismes vivants. Ils sont hautement sélectifs et efficaces, permettant à des réactions complexes de se produire dans des conditions de réaction douces. Cependant, la portée des substrats des enzymes est souvent limitée, ce qui signifie qu’elles ne peuvent catalyser qu’une gamme étroite de réactions.
"L'élargissement du répertoire catalytique des enzymes est un objectif de longue date en chimie et en biotechnologie", déclare Tobias Erb, professeur de biologie chimique et de génétique à JGU. "Cela nous permettrait d'utiliser des enzymes pour une gamme plus large de réactions de synthèse et potentiellement de développer de nouveaux procédés biocatalytiques pour la production de produits pharmaceutiques et d'autres produits chimiques fins."
Une façon d’élargir la portée des substrats des enzymes consiste à les modifier en introduisant des mutations ou des modifications chimiques. Cependant, cette approche est souvent fastidieuse et prend du temps, et il peut être difficile de prédire quelles modifications conduiront à l’activité catalytique souhaitée.
"Nous voulions développer une stratégie plus générale qui nous permettrait d'élargir la gamme catalytique d'enzymes de manière rationnelle et efficace", explique Christopher Gregg, chercheur postdoctoral dans le groupe d'Erb. "Nous avons été inspirés par le fait que de nombreuses enzymes contiennent des ions métalliques essentiels à leur activité catalytique."
Les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’en introduisant un site de liaison métallique dans un échafaudage enzymatique existant, ils pourraient créer une métalloenzyme artificielle dotée d’une nouvelle activité catalytique. Pour tester cette hypothèse, ils ont fusionné un site de liaison au zinc conçu de manière rationnelle à un échafaudage enzymatique dérivé de l'enzyme chorismate mutase.
"Nous avons été ravis de constater que la protéine de fusion présentait une promiscuité catalytique sans précédent", explique Gregg. "Il a pu catalyser la cycloaddition des aziridines avec du dioxyde de carbone pour produire des oxazolidinones – une réaction qui n'a pas encore été observée dans la nature."
Les chercheurs pensent que leur stratégie peut également être utilisée pour élargir la gamme catalytique d’autres enzymes. "Nous travaillons actuellement à étendre la portée de notre métalloenzyme artificielle à d'autres types de réactions", explique Erb. "Nous explorons également l'utilisation d'autres ions métalliques et d'échafaudages enzymatiques."
L’étude, publiée dans Nature Chemistry le 20 février 2023, ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de procédés biocatalytiques. En élargissant la gamme catalytique d’enzymes, il pourrait être possible de développer des méthodes plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement pour la production d’une variété de produits chimiques.
