La modélisation de la reconnaissance et de la catalyse enzymatiques a été abordée dans ce travail. Dans une première partie, un logiciel de docking (AlgoGen-DivCon), déterminant la structure optimale d'un système protéine-ligand, a été développé en combinant une méthode semi-empirique couplée à un algorithme à croissance linéaire (Divide & Conquer) pour la description du système et un algorithme génétique (AlgoGen) pour la recherche conformationnelle. Des tests sur différents systèmes, dont des complexes enzyme-substrat, ont été effectués pour valider l'approche. La seconde partie concerne l'étude du mécanisme (phase réductase) des méthionine sulfoxyde réductases de classe A (MsrA), catalysant la réduction de résidus méthionine oxydés (MetSO). A l'aide de simulations de dynamique moléculaire pour différents états de protonation du site actif de l'enzyme, nous montrons que l'ancrage du substrat est particulièrement favorable pour un état de protonation Glu94H et Cys51-. L'étude au niveau quantique du mécanisme de réduction, à partir du complexe michaélien, indique la formation d'une espèce "sulfurane" par protonation de la fonction sulfoxyde et création d'une liaison S-S avec Cys51. Le transfert d'un second proton provenant de Tyr134 (ou Tyr82) vers le groupement OH du sulfurane induit la formation d'une molécule d'eau et la dissociation de la liaison S-O. L'ion sulfuranyle résultant est enfin hydrolysé pour former un intermédiaire acide sulfénique et le substrat réduit. D'après le profil d'énergie, ce chemin pourrait être simplement décrit par un mécanisme concerté et asynchrone impliquant deux transferts de proton. / The modeling of enzymatic recognition and catalysis has been examined in this work. In the first part, a docking software (AlgoGen-DivCon) to determine the optimal structure of a protein-ligand system, has been developed. The molecular system has been described using a semiempirical method combined with a linear scaling algorithm (Divide & Conquer), while the conformational search has been performed by a genetic algorithm (AlgoGen). Tests on different systems, including enzyme-substrate complexes, have been conducted to validate the approach. The second part concerns the study of the mechanism (reductase phase) of class A methionine sulfoxide reductases (MsrA), which catalyzes the reduction of oxidized methionine residues (MetSO). By means of molecular dynamics for different protonation states of the enzyme active site, we have shown that the substrate docking is particulary favourable for a Glu94H and Cys51- protonation state. The quantum chemistry study of the reduction mechanism, starting from the Michaelis complex, indicates that the process is initiated by the formation of a "sulfurane" species, after protonation of the sulfoxide and simultaneous formation of a S-S bond with Cys51. A second proton transfer from Tyr134 (or Tyr82) to the sulfurane OH group induces the formation of a water molecule and the dissociation of the S-O bond. The resulting sulfuranyl ion is finally hydrolyzed to form a sulfenic acid intermediate and the reduced substrate. According to the energy profile, this path could be simply described as a concerted and asynchronous mechanism involving two proton transfers.

Ce travail de doctorat a permis de développer un biocapteur dédié à l’analyse de l'activité hydrolytique d'une enzyme sur un composant de la paroi végétale, l'arabinoxylane, dans un contexte où le nombre d'enzymes à tester augmente.Ce biocapteur permet non seulement de détecter une enzyme active mais également de classer son activité hydrolytique au sein d’un ensemble d’enzyme. L’identification est réalisée simplement à l'œil nu mais le classement nécessite une observation instrumentée. Des techniques de micro-fabrication sont utilisées pour dispenser de manière précise l’arabinoxylane sur un support. La composition de la solution à base d'arabinoxylane a été optimisée afin d’assurer sa stabilité ainsi que l’uniformité de l’épaisseur du dépôt solide. L’influence de la mouillabilité du support est également étudiée. Notre suivi permet de détecter l’hydrolyse enzymatique et de quantifier le taux d’hydrolyse. La fonctionnalité du biocapteur est validée avec une xylanase commerciale par comparaison avec une technique standard en enzymologie utilisant un substrat colorimétrique. Ce nouvel outil a également été évalué sur des enzymes issues de clonage métagénomique. Son seuil de sensibilité est de 3 nkat/ml, comparable aux autres techniques mais permet de diviser par deux le temps d’analyse. / This thesis focused on the development of a biosensor able to detect the hydrolysis capabilities of enzymes. In a context in which an increasing number of enzymes must be tested for their ability to decompose biomass, we choose to use arabinoxylan as our sensor's active layer as it is a major component of plant cell walls. This biosensor doesn’t only make it possible to detect an enzymatic activity but also to rank several enzymes according to their respective activities. While the precise ranking of enzymes requires an instrument, detecting a hydrolytic activity can be done without it. We rely on microfabrication techniques to precisely deposit arabinoxylan on a solid support. We have developed an arabinoxylan based and tuned its composition to maximize its stability and ensure deposits’ homogeneity. The influence of the wetting properties of the support itself was also thoroughly investigated. We are able to quantify the progressive degradation of the arabinoxylan deposits and thus extract the hydrolysis rate. We have benchmarked our approach with the standard techniques (colorimetry) used in enzymology on a commercial Xylanase. Our approach was further evaluated in a metagenomic enzyme screening context. We have demonstrated that while twice faster than the existing techniques, we maintain a limit of detection at the state of the art (3nkat/mL).

Les considérations environnementales actuelles encouragent la production d’intermédiaires chimiques bio-sourcés à travers des processus durables et plus respectueux de l'environnement nécessitent la conception de nouveaux systèmes catalytiques « sur mesure » recyclables. L’association de la catalyse biologique et de la catalyse chimique, appelée « catalyse hybride », fait partie de ces nouveaux concepts pouvant répondre aux défis émergents posés par la valorisation de la biomasse. C’est dans ce contexte d’émergence de la catalyse hybride que nous avons développé un procédé hybride innovant d’obtention de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), molécule plateforme clé pour l’obtention de monomères biosourcés, à partir du glucose. Les problèmes de compatibilités liées au couplage « one-pot » de l’enzyme d’isomérisation du glucose et du catalyseur chimique de déshydratation ont été résolus par la mise en œuvre d’une membrane liquide transportant le fructose. Les conditions réactionnelles optimales de chacune des 3 étapes du procédé (isomérisation du glucose, transport du fructose, déshydratation du fructose) ont été étudiées individuellement. Un premier procédé en « cascade » a alors été mis en place dans ces conditions, permettant de valider la faisabilité du procédé de production du 5-HMF. Un second procédé de catalyse hybride a ensuite été mis en place dans un réacteur innovant spécialement conçu. Ce procédé a permis de lever le verrou lié à la compatibilité des conditions des deux catalyseurs et de dépasser la limitation de rendement liée à l’équilibre thermodynamique de la réaction d’isomérisation. / Current environmental considerations encourage the production of bio-sourced chemical intermediates through sustainable and environmentally friendly processes that require the design of new, custom-made, recyclable catalytic systems. The combination of biological catalysis and chemical catalysis, called "hybrid catalysis", is part of these new concepts that can meet the emerging challenges posed by the biomass valorization. In this context of hybrid catalysis emergence, we have developed an innovative hybrid process for obtaining 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), a key platform molecule for biosourced monomers obtaining from glucose. Compatibility issues related to the "one-pot" coupling of the glucose isomerization enzyme and the chemical dehydration catalyst have been solved by the implementation of a liquid membrane carrying the fructose. Optimal reaction conditions of each of the 3 process steps (glucose isomerization, fructose transport, fructose dehydration) were studied individually. A first "cascade" process was then set up under these conditions, making it possible to validate the feasibility of the 5-HMF production process. A second hybrid catalysis process was then implemented in a specially designed innovative reactor. This process made it possible to remove the lock related to the compatibility of the operating conditions and to exceed the yield limitation related to the thermodynamic equilibrium of the isomerization reaction.

Th.--Sci. phys.--Grenoble--I.N.P.G., 1984. N°: DE 168.

LES RIBONUCLEOTIDES REDUCTASES (RNRS) SONT DES ENZYMES UBIQUITAIRES ESSENTIELLES POUR LA SYNTHESE D'ADN. LA CROISSANCE EN ANAEROBIOSE D'ESCHERICHIA COLI DEPEND D'UNE RNR DE CLASSE III. L'ENZYME ACTIVEE CONTIENT UN RADICAL SENSIBLE A L'OXYGENE SITUE SUR LE RESIDU G681 DONT LA FORMATION IMPLIQUE L'INTERVENTION CONCERTEE D'UNE PROTEINE ACTIVATRICE FER-SOUFRE, DE S-ADENOSYLMETHIONINE, DE DITHIOTHREITOL (DTT), ET D'UN SYSTEME REDUCTEUR. LA STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DE LA RNR DU BACTERIOPHAGE T4 A REVELE LA PRESENCE D'UN SITE METALLIQUE ZN(CYS)4 DANS LA PARTIE C-TERMINALE DE LA REDUCTASE. DANS CE TRAVAIL NOUS AVONS DEFINI DE NOUVELLES CONDITIONS DE PURIFICATION CONDUISANT A DES ENZYMES TRES ACTIVES, MONTRE QUE LE ZINC CONTROLE LA STRUCTURATION DE LA BOUCLE CTER CONTENANT LE SITE RADICALAIRE ET QUE, CONTRAIREMENT A CE QUI ETAIT ADMIS DEPUIS PLUS DE 15 ANS, LE DTT N'INTERVIENT PAS DANS LA FORMATION DU RADICAL GLY· MAIS PLUTOT DANS LES TRANSFERTS RADICALAIRES ENTRE GLY· ET LE SUBSTRAT.

Les biomolécules sont naturellement immergées dans l’eau, qui joue un rôle clé dans de nombreux processus biologiques. Réciproquement, les propriétés de l’eau sont affectées par la présence de la biomolécule. Dans cette thèse, nous combinons modèles théoriques et simulations numériques pour obtenir une description à l’échelle moléculaire des interactions entre une biomolécule et son environnement. Le manuscrit est structuré en deux parties, abordant deux aspects complémentaires de cette interaction complexe. La première partie est consacrée à la perturbation induite par une biomolécule sur l’eau. Nous déterminons en quoi la couche d’hydratation diffère de l’eau bulk et identifions les facteurs moléculaires en jeu. Nous comparons ensuite les couches d’hydratation d’une protéine antigel et d’une protéine modèle afin de déterminer si les propriétés d’hydratation peuvent expliquer l’activité antigel. Nous étudions enfin la dynamique d’hydratation de l’ADN. Nous obtenons une image résolue spatialement des propriétés de sa couche d’hydratation et y caractérisons les différentes sources d’hétérogénéité. La deuxième partie s’intéresse au rôle de l’environnement sur la catalyse enzymatique. Nous étudions deux systèmes distincts, avec des questions différentes mais une même méthodologie. Nous examinons d’abord le rôle de résidus dans le site actif de la dihydrofolate réductase et obtenons une interprétation moléculaire de résultats expérimentaux récents. Enfin, nous nous intéressons à la catalyse enzymatique en solvant organique, où l’addition de petites quantités d’eau permet d’accélérer la réaction. Nous recherchons une description à l’échelle moléculaire de cet effet. / Biomolecules are immersed in an aqueous solvent, which plays a key role in a wide range of biochemical processes. In addition, the properties of water molecules in the hydration shell are perturbed by the presence of the biomolecule. In this thesis, we combine theoretical models and numerical simulations to provide a molecular description of the interplay between a biomolecule and its environment. The manuscript is structured in two parts, addressing two complementary aspects of this complex interaction. In the first part we focus on the perturbation induced by a biomolecule on water molecules. We determine how much the hydration shell differs from bulk water and we identify the molecular factors at play. We then compare the hydration shells of an antifreeze protein and of a typical protein and investigate whether the shell structure and dynamics can explain the antifreeze properties. We finally study the hydration dynamics of a DNA dodecamer where slow water dynamics was suggested. We obtain a spatially resolved picture of DNA hydration and investigate the sources of heterogeneity. In the second part we examine the role of the environment in the chemical step of enzyme catalysis. We focus on two distinct systems with different questions, but relying on a common simulation methodology. We first examine the role of specific active site residues in catalysis by dihydrofolate reductase and we provide a molecular interpretation of recent experimental results. We finally study the role of water in enzyme catalysis in organic solvents, where addition of small amounts of water was shown to accelerate the chemical step. We seek a molecular scale description of this effect.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ces travaux de thèse portent sur la possibilité de combiner la catalyse hétérogène et la catalyse enzymatique dans une réaction en cascade de transformation de la cellulose en produits d’intérêt. Le prétraitement enzymatique (Celluclast, un cocktail de cellulases) a été choisi comme première étape de transformation de la cellulose en vue de la fragiliser; elle est réalisée dans une solution tampon d’acide acétique et d’acétate de sodium à pH 4,75, à 50°C. Cette étape produit principalement du glucose et modifie structurellement la cellulose résiduelle en diminuant seulement son degré de polymérisation (DP), fournissant de nouvelles extrémités réductrices sans toucher sa cristallinité. L’identification des verrous de la deuxième étape de catalyse hétérogène, réalisée en autoclave à une température supérieure ou égale à 190°C, a consisté à trouver un catalyseur hétérogène qui peut tolérer le milieu réactionnel enzymatique tamponné, qui peut avoir une activité catalytique favorisée sur les celluloses de DP inferieurs et qui peut valoriser le glucose obtenu dans des conditions identiques à la cellulose. Parmi les différentes familles de catalyseurs testés, le catalyseur métallique à base de Pt/charbon, s’est révélé plus efficace que les catalyseurs acides de Lewis et de Brønsted en raison de sa résistance au milieu tamponné et de sa capacité à convertir la cellulose et le glucose dans des conditions identiques malgré l’insensibilité de ce type de catalyseur de la diminution du DP de la cellulose prétraitée. Il a permis de convertir sélectivement la cellulose en propylène et éthylène glycols à 240°C dans une transformation cascade incluant une étape enzymatique suivie d’une étape catalytique hétérogène / This thesis deals with the possibility of combining heterogeneous catalysis and enzymatic catalysis in a cascade reaction for cellulose transformation into value-added products. The enzymatic pretreatment was chosen as the first cellulose transformation step to weaken the cellulose structure which is carried out in a buffer solution of acetic acid and sodium acetate at a pH 4.75, at 50°C. This step is selective, producing mainly glucose, and it has structurally modified the residual cellulose by only decreasing its degree of polymerization (DP) by providing new reducing ends without affecting its crystallinity. The challenges of the second step, heterogeneous catalysis, which is done in a closed autoclave at a temperature greater than or equal to 190°C, were then to find a heterogeneous catalyst that can tolerate the buffered enzyme reaction medium, that can have a favored activity on lower DP celluloses and that can valorize the obtained glucose and cellulose in identical conditions. Among the different families of catalysts tested, the metallic catalyst based on Pt/carbon was shown to be more efficient than the other Lewis and Brønsted acid catalysts due to its resistance to the buffer medium and its abilities to valorize glucose and cellulose in equivalent conditions despite the independence of this type of catalyst to the reduction of the DP of the pretreated cellulose. It allowed to selectively convert cellulose into propylene and ethylene glycols at 240°C in a cascade reaction including an enzymatic catalytic step and a heterogeneously catalyzed one

Depuis de nombreuses années, l’utilisation d’enzyme pour la synthèse de polymères naturels ou synthétiques a largement été développée en tant que procédé alternatif plus vert et plus respectueux de l’environnement. En effet, comparée aux méthodes conventionnelles de synthèse, les enzymes offrent une sélectivité élevée, une capacité à réagir dans des conditions de réaction douces, ainsi que la possibilité de recyclage du biocatalyseur. D’autre part, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) sont des matériaux synthétiques avec des propriétés de reconnaissance moléculaire spécifique envers une molécule cible. Récemment, les MIPs ont été utilisés dans les applications environnementales et biomédicales de part leur propriétés de reconnaissance moléculaire, leur spécificité et sélectivité. Cependant, leur application reste limitée en raison de leur faible biocompatibilité et de la présence de résidu de polymérisation potentiellement nocif. Ce travail de thèse a pour objectif de proposer une méthode alternative pour la synthèse de MIPs basée sur le concept de chimie verte. La peroxydase de raifort (HRP) est utilisée pour initier la co-polymérisation en milieux aqueux de monomères fonctionnels méthacrylates et d’agents réticulants en catalysant la génération des radicaux libres. Différents hydrogels ont été synthétisés et caractérisés, en particulier une cytotoxicité plus faible a été obtenue comparée à celle des polymères synthétisés traditionnellement. La synthèse a été optimisée afin de pouvoir contrôler la taille des particules et le rendement de polymérisation. Des MIPs sous forme de nanoparticules ont été préparés en milieu aqueux pour plusieurs molécules de faible poids moléculaire ainsi que pour des protéines par polymérisation radicalaire libre initiée par HRP. L’effet de la méthode d’initiation a été évalué en comparant les propriétés de ces MIPs à ceux préparées par les méthodes traditionnellement. L’immobilisation de l’HRP a été aussi effectuée pour synthétiser des hydrogels et des MIPs. L’enzyme immobilisée a pu être réutilisée pour synthétiser des MIPs avec les mêmes performances en termes de morphologie, rendement, spécificité et sélectivité. Ces nouveaux matériaux offrent de nombreuses perspectives pour des applications environnementales et biomédicales. / Enzyme-catalyzed synthesis of natural and synthetic polymers has been developed since several decades, as an eco-friendly process. Compared to the conventional methods, enzymes offer high selectivity, ability to operate under mild conditions and to recycle the catalyst. On the other hand, molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic materials with specific recognition properties for target molecules. They have recently attracted increasing attention in environmental and newly in biomedical applications for their specificity and selectivity. However, concerns about MIP toxicity for human and environment safety are of great importance. Herein, carrying forward the concept of green chemistry, an enzyme-mediated synthesis approach is described to prepare molecularly imprinted nanoparticles (MIP-NPs) in aqueous media. Horseradish peroxidase (HRP) is used to initiate the polymerization of methacrylate-based monomers and cross-linkers by catalyzing the generation of free radicals. Different hydrogels are synthesized and characterized. “Greener” hydrogels are obtained with lower cytotoxicity than that of polymers synthesized by traditional way. The hydrogels synthesis is optimized in order to control the particles sizes and polymerization yields. Moreover, water-compatible MIP nanoparticles for the recognition of different small molecules and proteins are prepared in aqueous media by HRP-initiated free radical polymerization and compared to MIPs prepared by the thermal or photopolymerization methods. HRP immobilization is also performed for hydrogels synthesis as well as MIP preparation. The reusability of immobilized enzyme is investigated for the preparation of several MIP batches with the same morphology, yield as well as good specificity and selectivity. We believe that this new synthesis method for MIPs will provide new opportunities to enlarge the use of molecular imprinting technology in biomedical and environmental applications.

La synthèse d'esters de l'acide benzoïque par voie enzymatique en milieu hétérogène microaqueux est envisagée. Cette estérification est possible et est catalysée par la lipase de <i>Candida rugosa</i> en suspension dans un mélange hexane/toluène. Le toluène permet la solubilisation de l'acide benzoïque. De nombreux paramètres influencent la synthèse des benzoates de méthyle et de butyle. La teneur en eau initiale agit uniquement sur la cinétique de réaction sans modifier de manière notable la position de l'équilibre de réaction. Il est préférable, dans la mesure du possible, de travailler à une activité en eau fixée au départ pour s'affranchir d'artefacts liés à la désorption de la pellicule aqueuse entourant les grains d'enzyme. Une approche par les plans d'expériences montre l'influence de plusieurs paramètres et de certaines interactions entre facteurs sur la cinétique et sur l'évolution de la réaction. La vitesse initiale spécifique décroit linéairement avec la fraction de toluène dans des milieux organiques contenant plus de 40% de toluène. Par contre, la variation de la Vi(sp) avec la teneur en enzyme est dépendante de la nature de l'alcool et de sa concentration. les effets de la proportion de toluène dans le mélange et de la teneur en enzyme sont expliqués par la variation de la concentration en substrats dans la pellicule aqueuse entourant l'enzyme. La vitesse initiale de production du benzoate de 1-butyle est modélisée et réalisée dans un mélange équivolumique hexane/toluène à une activité en eau initiale de 0,65. La cinétique suit un schéma réactionnel de type bi bi ping-pong avec inhibition par l'alcool si les concentrations en substrats dans la pellicule aqueuse sont prises en compte. En particulier, la concentration en acide benzoïque dans cette phase est dépendante de la concentration en 1-butanol. Ce travail démontre que la technique d'ajout d'eau dans le système, la variation des coefficients de partage des substrats entre milieu organique et pellicule aqueuse, la nature de l'alcool et les phénomènes d'inhibition par les alcools permettent d'expliquer les variations de vitesses initiales spécifiques. Enfin, ce système catalytique permet d'obtenir ces benzoates avec des taux de conversion supérieurs à 95% et peut- être employé à la synthèse d'autres benzoates.