Les pesticides et toxiques de guerre organophosphorés sont responsables d'intoxications qui se révèlent préoccupantes pour les autorités sanitaires. La recherche de solutions thérapeutiques pour pallier le manque de moyens efficaces pour contrer ces intoxications apparaît comme essentielle. L'acétylcholinestérase (AChE), enzyme de régulation de l'influx nerveux, en est la cible principale.Au cours de cette thèse, nous avons, d'une part, mis en place une stratégie de conception de molécules capables de réactiver les cholinestérases dites vieillies. Dans ce but, plusieurs dizaines de molécules ont été conçues et synthétisées. Leur évaluation in silico par docking moléculaire et in vitro par mesure d'affinité pour l'enzyme et par étude cristallographique n'a pas permis d'obtenir la réalkylation espérée, mais ce travail nous a offert quelques nouvelles perspectives.D'autre part, nos travaux de cristallographie de l'inhibition de la butyrylcholinestérase humaine par les agents V et le sarin montrent que cette cholinestérase a une énantiosélectivité altérée pour ces inhibiteurs chiraux par rapport à l'AChE humaine. Ceci implique la nécessité de quantités d'enzyme plus importantes pour atteindre la capacité protectrice désirée et donc un surcoût non négligeable. L'AChE humaine serait finalement un bioépurateur de neurotoxiques organophosphorés économiquement plus viable.

Cette étude a porté sur l’analyse de l’énantiosélectivité de la lipase de Burkholderia cepacia (BCL) pour les acides 2-substitués, synthons chiraux d’intérêt pharmaceutique, avec pour objectif d’examiner le rôle de l’accès au site actif enfoui de BCL sur l’énantiosélectivité et de développer une procédure d’ingénierie permettant de créer des mutants d’énantiosélectivité améliorée. Pour traiter le problème, une nouvelle approche de calcul, basée sur des algorithmes de planification de mouvements issus de la robotique a été développée. Elle permet l’exploration conformationnelle des espaces multi-dimensionnels contraints et a été appliquée au calcul des trajectoires de plusieurs racémiques dans le site actif de BCL et à l’identification de résidus pouvant potentiellement gêner le déplacement du substrat le long du site actif. Les résultats obtenus in silico ont révélé une corrélation qualitative avec les valeurs d’énantiosélectivité et ont permis de proposer des cibles de mutagénèse. Sur cette base, l’ingénierie du site actif de BCL a été entreprise pour moduler sélectivement l’accès des énantiomères R et S à la triade catalytique. Un système d’expression hétérologue de BCL chez E. coli compatible avec une expression en microplaque, a été développé. Une librairie de 57 (3x19) mono-mutants sur les positions : Leu17, Val266 et Leu287 a été construite par iPCR puis criblée en utilisant une procédure à moyen débit pour identifier les variants actifs pour l’hydrolyse du pNPB. L’énantiosélectivité de ces mutants a ensuite été évaluée pour l’hydrolyse du racémique (R,S)-2 bromophényl acétate de 2-chloro-éthyle, par utilisation d’une nouvelle procédure de criblage en deep-wells. Ce crible a permis de mettre en évidence plusieurs mutants dont les plus prometteurs ont été caractérisés. Ainsi les mutants Leu17Ser et Leu17Met présentent une augmentation de l’énantiosélectivité d’un facteur 10 accompagnée d’une augmentation de leur activité d’un facteur 4 à 5. Le mutant Val266Gly présente, quant à lui, une inversion de l’énantiosélectivité pour le substrat d’intérêt. L’étude des trajectoires par les techniques de planification combinée à une représentation sous la forme de carte de voxels a été réalisée en parallèle. Pour les mutants sélectionnés, une bonne corrélation a été observée entre les résultats obtenus in silico et expérimentalement. De plus, cela a permis de proposer de nouvelles combinaisons de mutations ayant conduit à l’identification de deux double-mutants Leu17Met/Val266Met et Leu17Ser/Leu287Ile d’énantiosélectivité supérieure à 150 pour le substrat modèle, révélant ainsi l’intérêt de l’approche semi-rationnelle proposée / This work has been focused on the understanding of the Burkholderia cepacia lipase (BCL) enantioselectivity towards 2-substituted acids which are chiral building blocks of pharmaceutical interest. The main objective of this work was the investigation of the potential role of substrate accessibility toward the buried active site of BCL on enantioselectivity and the development of an engineering procedure for the design of enantioselective mutants. To study further this hypothesis, a novel computational approach, based on motion-planning algorithms, originally used in robotics, was developed. It allows the conformational exploration of constrained high-dimensional spaces and was applied to the computation of trajectories for a set of racemates within the catalytic site. This methodology also enables the identification of residues potentially hindering substrates displacement along the active site. Results obtained in silico were correlated qualitatively with experimental values of enantioselectivity. On the basis of these results, engineering of the narrow active site of BCL has been undertaken to modulate selectively the access of R and S enantiomers to the catalytic triade. An heterologous expression system of BCL in E. coli compatible with production at microplate scale was developed. A library of 57 (3x19) variants targeted at positions Leu17, Val266 and Leu287 was built by iPCR and subsequently screened using a medium-throughput procedure to identify active variants against pNPB hydrolysis. Next, the enantioselectivity of these mutants was evaluated towards a given racemate, the (R,S)-2-chloro ethyl 2-bromophenylacetate, using a novel screening procedure developed in deep wells. Such screening enabled the identification of several variants amongst which the most promising were characterized. Mutants Leu17Ser and Leu17Met showed a remarkable 10-fold increase of their enantioselectivity and a 4- and 5-fold improvement of their specific activity. Compared to the wild-type enzyme, mutant Val266Gly displayed a reversed enantioselectivity for the substrate of interest. Investigation of the trajectories using motion-planning techniques combined to a voxel map representation was carried out. For selected variants, a fair correlation was observed between in silico and experimental results. Moreover, this enabled us to suggest novel combinations of mutations that led to the identification of two double-mutants Leu17Met/Val266Met and Leu17Ser/Leu287Ile showing an enantioselectivity value higher than 150 for the racemic substrate, revealing thus the effiency of the semi-rational strategy

L’objectif de cette thèse était de mieux comprendre les paramètres structuraux et environnementaux gouvernant l’énantiosélectivité de la lipase B de Candida antarctica (CALB), lors de la résolution des alcools secondaires linéaires chiraux. Ces composés sont notamment utilisés comme synthons chiraux dans l’industrie pharmaceutique. Dans un premier temps, une étude systématique des orientations du butan-2-ol et du pentan-2-ol au sein du site actif a été réalisée par modélisation moléculaire. Les résultats suggèrent l’existence de modes d’arrimages supplémentaires à ceux mentionnés dans la littérature. La comparaison selon l’énergie potentielle du substrat des structures les plus stables, combinée à la prise en compte de modes de fixation non productifs, nous a permis d’expliquer qualitativement l’énantiopréférence de la CALB pour la forme R. A l’aide du réacteur solide/gaz, nous avons montré que les résidus hydrophobes formant le canal d’accès du substrat au site actif (Ile189, Leu278 et Ala282), jouaient un rôle significatif dans l’énantiosélectivité de la CALB vis-à-vis des alcools secondaires. L’influence de la partie alkoxy du donneur d’acyle sur le ratio énantiomérique a également pu être mise en évidence. Par ailleurs, nous avons montré que des mutations isostériques de la poche stéréosélective conduisaient à des variations des paramètres thermodynamiques d’activation de l’acylation du pentan-2-ol, probablement suite à des modifications du réseau de liaisons hydrogène formé entre les résidus de la poche. Les études d’adsorption de l'eau et des substrats sur l’enzyme immobilisée nous ont permis de relier l'état d'hydratation de la CALB avec les effets particuliers de l'eau sur l’activité et la sélectivité de l’enzyme. / The aim of this thesis was to understand more precisely the structural and environmental parameters governing the enantioselectivity of lipase B from Candida antarctica (CALB), involved in the discrimination of chiral secondary alcohols enantiomers. These compounds are used in particular for the synthesis of enantiomerically pure pharmaceutical molecules. Initially a systematic study of the orientation of butan-2-ol and pentan-2-ol in the active site was performed by molecular modeling. The results suggest the existence of additional binding modes to those mentioned in the literature. The potential energy comparison of the most stable conformations of the substrate, combined with the existence of non productive binding modes, allowed us to explain qualitatively the enantiopreference of CALB for the R form. Using the solid/gas reactor, we have shown that hydrophobic residues forming the access channel of substrate to the active site (Ile189, Leu278 and Ala282), played a significant role in the enantioselectivity of CALB towards secondary alcohols. The influence of the alkoxy part of the acyl donor on the enatiomeric ratio E has also been highlighted. Furthermore, we showed that isosteric mutations of the stereoselective pocket led to changes in pentan-2-ol activation thermodynamic parameters of acylation, probably due to changes in the hydrogen bonds network formed between residues of the pocket. Studies of water and substrates adsorption on the immobilized enzyme allowed us to relate the hydration status of CALB with specific effects of water on the enzyme activity and selectivity.

La lipase B de Candida antarctica (CALB) est un enzyme présentant des propriétés énantiosélectives très intéressantes pour l’obtention de molécules énantio pures par dédoublement cinétique de mélanges racémiques,molécules utilisées comme synthons dans l’industrie pharmaceutique. En effet, le principe actif de nombreux médicaments est efficace sous une forme énantio pure, l’autre forme chirale pouvant se révéler délétère pour l’organisme.Les travaux de la thèse s’intéressent à mieux comprendre l’origine de l’énantiosélectivité de la lipase B de Candida antarctica, en particulier pour la résolution d’alcools secondaires par des réactions de transestérification.Nous utilisons pour la première fois la méthode de la perturbation de l’énergie libre pour estimer la différence d’énergie libre entre les intermédiaires tétraédriques obtenus avec les formes R et S d’alcools énantiomères pour une série d’alcools secondaires, dans le but de prédire in silico l’énantiosélectivité de la CALB. Les paramètres cinétiques apparents d’une réaction avec deux alcools substrats énantiopurs sont expérimentalement déterminés et permettent de définir la contribution respective du Km et du kcat de chaque énantiomère pour la définition de l’énantiosélectivité. L’étude expérimentale de l’effet d’empreinte par des molécules co-substrats est réalisée,ainsi qu’une étude par modélisation moléculaire de l’effet d’empreinte par le premier ester substrat de la réaction qui pourrait modifier la conformation du site actif de la CALB. La troisième partie porte sur l’étude de la CALB et de trois variants (T42V, S47A et T42V/S47A) chez lesquels les acides aminés dans la poche stéréospécifiques ont mutés. T42V et S47A permettent d’obtenir une augmentation de l’énantiosélectivité. L’étude propose une étude détaillée de la conformation du site actif à partir de simulations de trajectoires de dynamique moléculaire / The lipase B from Candida antarctica is an enzyme displaying enantioselective properties which are interesting to obtain enantio pure compounds by kinetic resolution of racemic mixtures, which are used as pharmaceutical intermediates and fine chemicals. Indeed, for most of the drugs, only one of the two chiral formsis efficient as bioactive compound, whereas the other chiral form may display deleterious effects. Present work concerns the understanding of the origin of Candida antarctica lipase B enantioselectivity, and more especially in case of the resolution of secondary alcohols by transesterification. We used, for the first time, the free energy perturbation method to evaluate the free energy difference between tetrahedral intermediates with R and S alcohol enantiomers for a series of secondary alcohols in order to predict in silico enantiomeric ratio of CALB-catalyzed reactions. The apparent kinetic parameters were experimentally determined for two enantio pure substrates and allow to evalute the relative contribution of both Km and kcat for R and S enantiomers in the enantiomeric ratio of CALB-catalyzed reactions. Experimental study of imprinting effect hypothesis by co-substrate molecules was done. Molecular modeling studies of imprinting effect hypothesis were performed, in which the first substrate ester of the reaction could mould the active site. At least, the third part of this thesis concerns the study of wild-type CALB and three different variants (T42V and S47A which allow to increase enantioselectivity and T42/S47A) of CALB by molecular modeling. A detailed study of the conformation of the stereo specificity pocket in the active site is presented, based on molecular dynamics simulations.