Les déshydrogénases sont faiblement actives en présence de fortes concentrations (> 50 % (v/v)) de liquides ioniques (LIs) miscible à l’eau et les raisons précises de cette inactivation ne sont pas connues. La structure de la formiate déshydrogénase de Candida boidinii (FDH) en présence de ces LIs miscibles à l’eau a été étudiée par atténuation de fluorescence par de l’iode ou de l’acrylamide. Une concentration critique, la CILc ("Critical Ionic Liquid concentration"), au dessus de laquelle la fluorescence n’est pas exploitable, est déterminée. Elle se situe entre 30 et 40 % (v/v) des LIs de cette étude. Les LIs s’avèrent être de forts agents dénaturants : les constantes d’atténuation de fluorescence en présence de LI sont de 1,4 à 2 fois plus importantes qu’en présence d’urée. La FDH a été modifiée chimiquement par des cations analogues aux cations des LIs afin de la préserver de l’interaction avec les LIs. Les enzymes modifiées par des cations de plus petite taille présentent une importante activité résiduelle (30-45%) en présence de 70% (v/v) de LI tandis que l’enzyme sauvage est inactive. En présence de 30% (v/v) de LI, l’efficacité catalytique (kcat/KM) des enzymes modifiées augmente de 1,3 à 3,6 fois et la constante de Michaelis (KM) diminue de 1,7 à 4,6 fois suivant le cation utilisé. Selon la taille du cation greffé, le temps de demi-vie des enzymes modifiées augmente de 3 à 5 fois en solution tamponnée. Enfin, la structure des enzymes modifiées est préservée en présence de 40% (v/v) de LI tandis que l’enzyme native commence à se dénaturer. La technique d’évolution dirigée a également été utilisée. A ce jour, 987 mutants ont été criblés. Un mutant (M60) présente une activité résiduelle de 35% à 70% (v/v) de LI tandis que l’enzyme sauvage est inactive. Ce dernier porte deux mutations, N187S et T321S, situées à la surface de la structure protéique. En présence de 30 % (v/v) de LI, le mutant 60 fixe les substrats avec des valeurs de de KMNAD et de KDN3 (N3 est l’azide, un inhibiteur compétitif du formiate) 2 fois plus faibles que celles de l’enzyme sauvage. / The dehydrogenases are weakly active in the presence of high concentration (> 50% (v/v)) of water-miscible ionic liquids (ILs) and the mechanism of enzyme inactivation in ILs is not fully understood. The structure of the formate dehydrogenase Candida boidinii (FDH) in ILs has been studied by quenching of fluorescence experiments in the presence of iodide or acrylamide. A critical concentration, the CILc (“Critical Ionic liquid concentration"), is defined as the concentration of IL above which the fluorescence is not relevant. In this work, the CILc is comprised between 30 and 40 % (v/v) of the ILs. The ILs have revealed to be denaturing agents which increase the quenching of fluorescence efficiency by 1.4 to 2 times more than in urea. The FDH is chemically modified by analogous cations found in ILs in order to preserve the biocatalyst from the direct interaction with ILs. The enzymes modified by the smaller cations shown 30 45% residual activity at 70% (v/v) of ILs while the native enzyme is fully inactive. In the presence of 30% (v/v) of ILs, the kinetic efficiency (kcat/KM) of the grafted enzymes is improved by a 1.3-3.6 fold factor and the constant of Michaelis (KM) is reduced by a 1.7-4.6 fold factor depending on the grafted cations. In aqueous solution, the half-lives of modified enzymes are 3 to 5 fold higher than the native FDH depending on the size of the cation grafted. Finally, the structure of the grafted enzymes is somehow maintained in the presence of 40% (v/v) of ILs while the native FDH begins to unfold. We also used directed evolution to improve the FDH activity in the presence of ILs. At this stage, 987 mutants have been screened and one mutant (M60) shows 35% of residual activity at 70% (v/v) of ILs. In the presence of 30% (v/v) of ILs, the mutant binds the substrates in a greater extent than the native FDH, the values of KMNAD and the KDN3 (N3 is the azide, a competitive inhibitor of formate) are reduced by a 2 fold factor by comparison to the native enzyme.

Les protéines fluorescentes (PF) homologues d’AvGFP (Green Fluorescent Protein de la méduse Aequorea victoria) sont des outils incontournables de l’imagerie des processus de la cellule vivante. Leurs performances conditionnent la précision de l’analyse quantitative des signaux de fluorescence. Le développement de nouvelles PF demande donc à la fois de parvenir à une forte brillance tout en contrôlant la réponse de la protéine aux variations des paramètres physico-chimiques de la cellule en fonction de la question biologique étudiée. A ce jour, les PF jaunes disponibles montrent une forte sensibilité au pH. Afin d’élaborer des mutants moins sensibles, deux approches ont été considérées : une première consiste à mieux appréhender l’incidence de la dynamique du réseau de liaisons hydrogène entourant le chromophore sur son équilibre acido-basique. La seconde vise à identifier les facteurs structuraux à l’origine de la brillance particulièrement élevée de nouvelles PF jaunes et jaune-vert provenant d’un ver marin, Branchiostoma lanceolatum.J’ai d’abord mis au point un algorithme recherchant l’ensemble des liaisons hydrogène présentes au sein d’une protéine et qui étudie leur dynamique au cours de simulations par dynamique moléculaire. Il permet leur agrégation en réseaux, l’identification des réseaux connectés à un atome d’intérêt ainsi que le suivi de leur dynamique. Pour validation, cet algorithme a été appliqué à la recherche des réseaux de liaisons hydrogène présents au sein de différents mutants d’AvGFP pour lesquels un transfert de proton à l'état excité a été étudié expérimentalement. Cet algorithme pourra également servir à comprendre de façon dynamique le mécanisme d’autres systèmes biologiques dont la fonction repose sur le transfert de protons.D’autre part, j’ai résolu la structure de la protéine fluorescente jaune naturelle lanYFP de Branchiostoma lanceolatum, particulièrement brillante mais à la structure quaternaire tétramérique. Cette protéine a été rendue monomérique par évolution dirigée, ce qui a donné la protéine mNeonGreen à la fluorescence jaune-vert, protéine désormais étalon dans cette gamme spectrale, et dont j’ai également résolu la structure. Mon étude a permis de rationaliser a postériori l’ensemble des mutations introduites au cours de l’évolution. Enfin, j’ai réalisé une étude du dégât d’irradiation spécifique des rayons X permettant de comprendre le changement remarquable de couleur observé sur les cristaux de mNeonGreen après collecte de données de diffraction.L’ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse permet de proposer un cadre de compréhension à la fois théorique et expérimental des déterminants contrôlant les propriétés de fluorescence des PF jaunes. / Fluorescent Proteins (FPs) homologous to AvGFP (Green Fluorescent Protein from the jellyfish Aequoria victoria) are versatile tools used in live cell imaging. The amount of information that can be derived from the fluorescence signals depends on the spectroscopic performances of the FP. The development of new FPs should focus on both brightness increase and control of the protein response to physicochemical parameter variations within the cell. Current yellow FPs exhibit a strong sensitivity to pH. In order to engineer less sensitive variants, two complementary approaches have been used: the first one consists in studying the influence of the hydrogen bond network dynamics around the chromophore on its protonation state. In the second one, I have sought to identify the structural determinants of the particularly high brightness of newly discovered yellow FPs from a sea worm, Branchiostoma lanceolatum.First, I wrote an algorithm that can identify all hydrogen bonds within a protein and analyse their dynamics along molecular dynamics simulations. It allows for their clustering in networks, the identification of networks connected to a given atom and the monitoring of their dynamics. The method was validated by using the algorithm on various AvGFP mutants for which excited state proton transfer has been experimentally studied. This algorithm should also be useful for the study of other biological systems whose function is based on proton transfer.Besides, I solved the structure of the natural yellow FP lanYFP from Branchiostoma lanceolatum, which is particularly bright, but presents a tetrameric arrangement. This protein was monomerized by directed evolution, which led to the yellow-green FP mNeonGreen, now a benchmark in this spectral range. I also solved the structure of mNeonGreen, which allowed me to rationalize a posteriori the mutations that have been introduced during the evolution process. Finally, I performed a specific radiation damage study in order to explain the remarkable change in colour of mNeonGreen crystals upon X-ray data collection. Altogether, the results of my PhD work provides a theoretical and experimental framework of the determinants that drive the fluorescence properties of yellow FPs.

L’ingénierie des protéines fonctionnelles est un processus d’amélioration des propriétés physiques ou catalytiques d’enzyme au travers d’approches rationnelles et d'évolution dirigée, aussi bien que la combinaison des deux méthodes. Malgré le progrès de la modélisation moléculaire des protéines, les méthodes de prédiction restent aléatoires et un grand nombre de variantes restent à tester. De ce fait, le développement et l’utilisation d’un système de criblage d’activité de protéines à très haut débit, comme la microfluidique en gouttes, est indispensable. Cette thèse de doctorat présente trois projets d’évolution dirigée de protéines en trois approches différentes avec expression d’enzyme in vitro et in vivo. Les plateformes microfluidiques ont été développées et validées pour chaque projet. De plus, plusieurs banques de variants ont été criblées avec, dans certains cas, isolement de molécules 5-10 fois que le clone parental. / This work describes the development of high-throughput droplet microfluidic platforms fine-tuned for protein of interest and their employment in directed evolution experiments. When not available, fluorogenic assay for monitoring desired enzyme activity (-ies) in droplets was developed. Moreover, the in vivo expression allowed the successive integration of microfluidic modules on the same chip. After a couple of evolution rounds the initial retro-aldolase variant was significantly improved. In other project, to meet industrial requirements a high-throughput screening platform for protease evolution in detergent has been assembled and validated. Two evolution rounds showed the accumulation of a certain pool of beneficial mutations over the selection rounds. The research described in this work highlighted that in vitro expression systems are sensitive to the amount of supplied DNA and reaction conditions. This observation led to the development of a multistep completely in vitro microfluidic platform.

La transcétolase thermostable de Geobacillus stearothermophilus (TKgst, EC 2.2.1.1) permet de synthétiser efficacement à haute température des cétoses à 4, 5 et 6 atomes de carbone de configuration d-thréo (3S, 4R), par formation stéréosélective d’une liaison C-C, à partir d’aldéhydes α-hydroxylés (2R) à courte chaîne. L’objectif de ces travaux est d’utiliser la TKgst à 60°C pour gagner en efficacité et étendre son spectre de substrats à de nouveaux donneurs et accepteurs par Evolution dirigée, selon une approche semi-rationnelle, basée sur la mutagenèse par saturation de site. Ainsi, à l’issue du criblage des banques générées, les TKgst mutées les plus performantes (L382D/D470S, L191I, L382F/F435Y, R521Y/H462N et R521V/S385D/H462S) ont été sélectionnées pour leurs activités spécifiques supérieures à celle de la TKgst sauvage (gain de 3,3 à 5) vis-à-vis d’aldéhydes α-hydroxylés (2S) et d’aldéhydes α-hydroxylés (2R) à longue chaîne polyhydroxylée (C5-C6). La TKgst sauvage, ainsi que ces TKgst mutées performantes ont permis d’obtenir, à 60°C, onze cétoses, dont neuf de configuration l-érythro (3S, 4S) à 5 à 6 atomes de carbone et de configuration d-thréo (3S, 4R) de 4 à 8 atomes de carbone d’intérêt biologique, avec de très bons rendements, quatre étant inaccessibles avec les TKs microbiennes utilisées jusqu’alors. D’autres TKgst mutées ont par ailleurs conduit à une amélioration significative de l’activité de la TKgst vis-à-vis d’aldéhydes aliphatiques et aromatiques, mais également vis-à-vis d’un nouveau substrat donneur, l’acide pyruvique et d’analogues, ouvrant le champs des applications aux 1-désoxycétoses. De plus, ces travaux ont permis de développer un procédé multi-enzymatique innovant et éco-comptatible, dans lequel les substrats donneurs et accepteurs de la TKgst sont générés par voie enzymatique, via l’utilisation d’une transaminase ou d’une d-aminoacide oxydase et d’une aldolase, à partir de composés naturels et peu coûteux. Cette stratégie pourra être appliquée aux TKgst mutées, afin d’accéder efficacement et à moindre coût, à d’autres cétoses rares hautement valorisables. / Thermostable transketolase from Geobacillus stearothermophilus (TKgst, EC 2.2.1.1) catalyzes efficiently the synthesis of d-threo (3S, 4R) ketoses having 4, 5 and 6 carbon atoms, by the stereoselective formation of a new C-C bond, from short chain (2R)-α-hydroxylated aldehydes. The aim of this work is to use TKgst at 60°C, in order to increase reaction rates and to broad its substrate scope to new donors and acceptors by Directed Evolution, according to a semi-rationnal approach, based on site saturation mutagenesis. Thus, the screening of the libraries led to TKgst variants (L382D/D470S, L191I, L382F/F435Y, R521Y/H462N and R521V/S385D/H462S) having significantly improved specific activities towards (2S)-α-hydroxylated aldehydes and (2R)-α-hydroxylated aldehydes having a long polyhydroxylated chain (C5-C6), compared to wild type TKgst (3,3 to 5-fold increased activity). Wild-type TKgst as well as these TKgst variants were used, at 60°C, to obtain eleven, including nine l-erythro (3S, 4S) ketoses having 5 and 6 carbon atoms and d-threo (3S, 4R) ketoses having from 4 to 8 carbon atoms of biological interest, with good yields, four being inaccessible using common TK sources. Besides, other TKgst variants led to significantly improved activities towards hydrophobic aldehydes and towards a new donor substrate, pyruvic acid and derivatives, extending TKgst product scope to 1-deoxyketoses. In addition, a multienzymatic innovative and environmentally friendly process, in which TKgst substrates are generated through enzymatic pathways, using a transaminase or a d-aminoacid oxidase and an aldolase, from non-expensive and natural compounds was developed, in the presence of wild-type TKgst and will be able to be applied to TKgst variants, in order to synthesize efficiently and at lower cost, other highly valuable rare ketoses.