La nitrate réductase périplasmique de Rhodobacter sphaeroides catalyse la réduction du nitrate en nitrite. C'est une métalloenzyme qui comprend un cofacteur à molybdène, un centre fer - soufre et deux hèmes.La réactivité du cofacteur à molybdène reste mal comprise pour plusieurs raisons. Entre autres : l'hétérogénéité des signatures RPE Mo(V), état semi-réduit du site actif, et l'existence d'états inactifs de l'enzyme selon les conditions.Pour comprendre la réactivité et la pertinence catalytique des principales espèces Mo(V), nous avons entrepris une caractérisation des processus d'activation et d'inactivation par électrochimie sur film de protéines, et une étude de leur structure par spectroscopies RPE et HYSCORE.Nos observations cinétiques suggèrent que l'activation irréversible de l'enzyme implique un réarrangement d'une des ptérines du cofacteur à Mo.Ceci est mis en évidence par la modification des couplages magnétiques intercentres du fait de l'activation, et par des modifications de structure au delà de la première sphère de coordination du Mo.Enfin, l'étude de l'inactivation réversible de l'enzyme par électrochimie montre l'implication des différents états redox du site actif dans le mécanisme d'inhibition, et donne les conditions nécessaires au piégeage de formes Mo(V) actives. / Rhodobacter sphaeroides periplasmic nitrate reductase catalyses the reduction of nitrate into nitrite. It is a metalloenzyme containing a molybdenum cofactor, an iron - sulfur cluster, and two haems.The reactivity of the molybdenum cofactor remains elusive for many reasons. Among others : the heterogeneity of the EPR signatures of Mo(V), the semi-reduced state of the active site, and the existence of inactive states of the enzyme, depending on conditions.In order to understand the reactivity and the catalytic relevance of the major Mo(V) species, we have undertaken a characterisation of the activation and inactivation processes by protein-film-electrochemistry, and a study of their structure by EPR and HYSCORE spectroscopies.Our kinetic observations suggest that the irreversible activation of the enzyme involves a rearrangement of one of the pterins of the Mo cofactor.This is evidenced by the modification of intercentre magnetic couplings due to the activation, and by structural modifications beyond the first coordination sphere of Mo.Finally, the study of enzyme reversible inactivation by electrochemistry shows the involvement of the different redox states of the active site in the inhibition mechanism, and yields the necessary conditions to trapping active Mo(V) forms.

Devant la nécessité de préservation de l’environnement, la chimie devra de plus en plus devenir « verte ». Le développement de catalyseurs bio-hybrides est une voie prometteuse vers une chimie verte. En effet, ces catalyseurs combinent à la fois les avantages de la catalyse homogène (large gamme de réactivité) et ceux de la catalyse enzymatique (réaction en milieux aqueux, optimisation possible par génie biotechnologique). Ces nouveaux types de catalyseurs éco-compatibles semblent être à ce jour une alternative intéressante à la catalyse chimique classique.Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides appelés Hémozymes, basés sur l’insertion non covalente de complexes métalliques hydrosolubles (responsables de l’activité catalytique), au sein d’une protéine hôte : la Xylanase A (pouvant induire une régio/stéréo/chimio-sélectivité).Pour cette étude, nous avons synthétisé différents complexes métalliques de taille variable (porphyrines, salens et salophens) métallés soit par du fer soit par du manganèse. L’étude de leur association avec la Xln A ainsi que les essais de leur activité catalytique nous ont permis d’aboutir à des résultats intéressants, d’une part pour la réaction d’oxydation du thionanisole par le peroxyde d’hydrogène, d’autre part pour l’oxydation d’alcènes aromatiques par l’oxone (KHSO5). Nous avons ainsi obtenu deux métalloenzymes artificielles remarquables, l’une capable de catalyser l’oxydation énantiosélective du thioanisole par le peroxyde d’hydrogène (84% de rendement, 40% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère S), l’autre capable de catalyser l’époxydation asymétrique du paraméthoxy-styrène par KHSO5 (17% de rendement, 80% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère R). Enfin, de nouvelles stratégies pour concevoir des catalyseurs bio-hybrides ont également été envisagée comme le greffage covalent de complexes métalliques au sein d’une protéine hôte, ou encore l’utilisation d’une forte affinité ligand-protéine (comme les interactions de type inhibiteur) pour enfouir un cofacteur métallique au sein d’une protéine. / In those days, the preservation of the environment is a huge challenge, so chemistry has to become more "Green". The development of bio-hybrid catalysts is a promising way towards a green chemistry. Indeed, these catalysts both combine the benefits of homogeneous Catalysis (wide range of reactivity) and those of enzyme catalysis (reaction in aqueous media, possible optimization by biotechnological engineering). These new kind of eco-compatible catalyst seem to be an interesting alternative to classical chemical catalysis to this day.For this study, we have synthesized various complexes with various size (porphyrins, salens and salophens) metalled by iron or manganese. The study of their association with Xln A and the catalytic activity assays allowed us to achieve interesting results, on the one hand to the oxidation of the thionanisole by hydrogen peroxide, on the other hand for the oxidation of aromatic alkenes by the oxone (KHSO5).This thesis is about the development of new bio-hybrid catalysts called Hemozymes, based on the non-covalent insertion of water-soluble metal complexes (responsible for the catalytic activity), inside a host protein: Xylanase A (which can induce a regio/stereo/chemo-selectivity).We have thus obtained two remarkable artificial metalloenzymes, one able to catalyze the enantioselective oxidation of thioanisole by hydrogen peroxide (84% yield, 40% of enantiomeric excess for the S isomer), the other able to catalyze the asymmetric epoxidation of paramethoxy-styrene by KHSO5 (17% yield, 80% enantiomeric excess for the R isomerFinally, new strategies to develop bio-hybrid catalysts have also been considered, such as covalent linkage of metal complexes within a host protein or the use of a high ligand-protein affinity (such as the interactions of inhibitor with proteins) to introduce the metal cofactor inside the protein pocket.

Jusqu’à 40% des protéines sont connues pour fixer des métaux, ces hétéroatomes jouant un rôle capital dans la régulation, la catalyse ou le maintien de la structure de ces protéines. Ces métalloprotéines sont ubiquitaires et d’une importance primordiale dans les trois domaines du vivant. Cependant, les méthodes actuelles dédiées à l’identification des membres de cette grande famille dans les protéomes bactériens sont soit inadaptées pour des approches à grande échelle, soit présentent des performances relativement limitées en l’absence d’une structure tridimensionnelle résolue. Dans ce contexte, différents outils d’analyse de séquence ont été testés, en recherchant des descripteurs de ces protéines (e.g. motifs, domaines conservés, empreintes phylogénétiques). Pour pallier le relatif manque de sensibilité de ceux-ci, de nouveaux descripteurs ont été construits, dédiés spécifiquement à l’identification des protéines à centre fer-soufre : (i) des profils de co-conservation des ligands du métal et (ii) des profile-HMMs adaptés à la détection d’homologues distants. Les pouvoirs prédictifs respectifs de ces catégories de descripteurs ont été évalués sur un jeu de protéines fer-soufre expertisé, en les considérant soit séparément soit en combinaison. L’ensemble de ces descripteurs a finalement été intégré dans un modèle linéaire généralisé en utilisant la technique d’elastic-net. Le modèle prédictif obtenu a été évalué sur le protéome complet d’Escherichia coli, sur lequel il atteint une précision de 89% et une sensibilité de 83%. Enfin, il a été appliqué à environ 300 protéomes pour explorer différentes relations biologiques comme l’abondance relative des protéines Fe-S et la tolérance à l’oxygène des organismes auxquelles elles appartiennent. / Up to 40% of all proteins are known to bind metals, the intrinsic metal atoms providing catalytic, regulatory and/or structural roles critical to their functions. These metalloproteins are ubiquitous and of major importance within the three domains of life. However, current methods dedicated to identifying members of this large family within bacterial proteomes are either not suitable for large-scale approach or are of relatively limited performance when no 3D structural template is available. Within this context, different sequence analysis tools relying on different category of protein descriptors (e.g. patterns, conserved domains, phylogenetic prints) were assessed. To overcome their relative lack of sensibility, new descriptors, specific towards iron-sulfur proteins identification were built: (i) co-conservation profiles of the metal ligands and (ii) tailored profile-HMMs for remote homologs detection. Their respective predictive power towards the identification of a manually curated iron-sulfur proteins dataset were assessed, either separately or in combination. All relevant descriptors were finally gathered into a generalized linear model by using the elastic-net method. The predictive model has been evaluated on Escherichia coli whole proteome resulting in a precision of 89% and a recall of 83%. Eventually, it has been applied to 300 proteomes allowing investigating different biological relationships, such as iron-sulfur proteins relative abundances and the oxygen dependency of bacterial organisms.

Les observations de radicaux organiques dans les enzymes et de leur implication dans les cycles catalytiques n'ont cessé de croître ces dernières années. La spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) à champ intense est un outil de choix pour l'étude de radicaux organiques car elle permet de résoudre la faible anisotropie du tenseur g pour ces espèces paramagnétiques. Un spectromètre fonctionnant à 285 GHz / 10.5 teslas a été construit dans la Section de Bioénergétique du centre d'études du CEA de Saclay. Le travail présentée dans ce mémoire de thèse a porté sur l'application de la RPE à champ intense à l'étude de radicaux organiques présents dans le photosystème II, qui est l'enzyme de dégagement d'oxygène, ainsi que dans les composés I de deux peroxydases, la cytochrome c peroxydase et la prostaglandine synthase.<br />Le premier chapitre présente la technique de RPE à champ intense de façon générale et introduit l'instrumentation. Les aspects généraux du photosystème II utiles dans la suite du mémoire sont également présentés.<br />Le second chapitre montre comment les propriétés anisotropes du tenseur g ont été utilisées pour obtenir des informations structurales quant à l'orientation de radicaux organiques dans le photosystème II.<br />Les enzymes étudiées dans ce travail de thèse sont des métalloprotéines. Les situations de couplages magnétiques entre les centres métalliques et les radicaux organiques présents sont souvent rencontrées dans ces cas-là. Les chapitres 3 à 5 portent sur l'étude de tels systèmes couplés.<br />Le dernier chapitre présente des situations pour lesquelles l'étude des valeurs de g permet d'obtenir des informations sur l'environnement électrostatique du radical étudié. Cette propriété déjà connue pour les radicaux tyrosyles et semiquinones est étendue aux radicaux anions de phéophytines.

Les métalloprotéines contenant des centres Fe-S jouent un rôle important dans la<br />nature car elles sont impliquées dans des fonctions physiologiques essentielles telles que la<br />photosynthèse, la respiration et la fixation de l'azote.<br />Dans cette thèse, une ferrédoxine impliquée dans la biogenèse des centres Fe-S, et une<br />dioxygenase bactérienne jouant un rôle crucial dans la biodegradation des hydrocarbures<br />aromatiques ont fait l'objet d‘analyses structurales par cristallographie aux rayons X. La<br />structure d'une ferrédoxine de la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus, a été<br />résolue dans les états oxyde et réduit. De petits changements structuraux ont été observes lors de la réduction, notamment au voisinage du centre [2Fe-2S]. Ces changements sont compares a ceux décrits pour des ferrédoxines de structure similaire mais de fonction différente.<br />Une métalloprotéine plus complexe, appartenant a une grande famille de dioxygenases<br />bactériennes, a été étudiée pour son activité d'oxydation des hydrocarbures aromatiques<br />polycycliques (HAP). Cette enzyme a trois composantes, isolée d'une souche de<br />Sphingomonas dégradant les HAP comprend une oxydoréductase a NAD(P)H, une<br />ferrédoxine a centre [2Fe-2S], et composante oxygenase de six sous-unités assemblées en un hexamère de type α3β3. La composante oxygenase, appelée PhnI, contient une centre [2Fe-2S] de type Rieske et un ion ferreux par sous-unité α, qui ont été identifies par leur signature RPE. L'enzyme est douée d'une spécificité du substrat extrêmement large, puisqu'elle est capable d'hydroxyle toute une gamme de HAP fait de 2 a 5 cycles aromatiques, y compris des cancérogènes comme le benz[a]anthracene et le benzo[a]pyrene. Avec le naphtalène comme substrat, des mesures de cinétique ont montre que cette enzyme a un Km bas (0.92 WM) et une constante de spécificité de 2.0 WM-1. s-1. La proteine Phn1 a été cristallisée, et sa structure 3D a été résolue avec une résolution de 1.85 A. En dépit d'une modeste similitude de séquence avec des dioxygenases homologues, le repliement polypeptidique est très semblable.<br />Des différences ont toutefois été observées au niveau de la poche catalytique.<br />Les protéines sous forme cristallisée, notamment les protéines Fe-S, peuvent subir des<br />dommages dus au rayonnement X synchrotron, causant des artefacts lors de la détermination<br />de la structure. Pour essayer de palier cet inconvénient, des rayons X de très haute énergie (55 keV; 0.22 A), qui sont peu absorbes par les protéines, ont été utilises pour résoudre la<br />structure d'une proteine modèle, le lysozyme. Une structure a été établie pour la première fois<br />par cette approche, en utilisant les phases expérimentales obtenues par différentes méthodes.<br />Les applications potentielles en biologie structurale sont discutées.

De nombreuses protéines possèdent des cofacteurs inorganiques contenant des métaux de transition. Les propriétés physico-chimiques de ces métaux permettent aux enzymes qui les portent de catalyser des réactions impossibles par l'utilisation des seules potentialités chimiques des vingt-deux acides aminés. Cependant, ces métaux sont toxiques pour la cellule lorsqu'ils sont libres. La synthèse et l'incorportion de ces cofacteurs dans les enzymes nécessitent alors des machineries protéiques complexes d'assemblage. Au cours de cette thèse, les mécanismes de synthèse des centres FeS par les machineries ISC (Iron-Sulfur Cluster) et Hyd (Hydrogenase) ont été étudiés. Le système ISC correspond à la machinerie primaire d'assemblage des centres FeS chez les bactéries, et un système équivalent existe chez les eucaryotes au niveau de la mitochondrie. Le système Hyd est la machinerie de maturation de l'hydrogénase à FeFe chez plusieurs eucaryotes inférieurs (algues et protistes) et dans une grande variété de bactéries. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la machinerie ISC d'Archaeoglobus fulgidus dont le coeur est composé de la cystéine désulfurase IscS et de la protéine échafaudage IscU ; IscS apportant le soufre nécessaire à l'assemblage du centre FeS sur IscU. Au cours de cette étude, il est apparu que IscS d'Archaeoglobus fulgidus ne possède pas d'activité cystéine désulfurase, mais qu'elle joue tout de même un rôle fondamental dans la synthèse du centre FeS sur le complexe IscSU en fournissant sa cystéine active en tant que ligand de l'agrégat. Dans un second temps, nous avons étudié la protéine à radical S-adénosyl-L-méthionine HydG, responsable de la synthèse des ligands CN- et CO du sous-agrégat à 2 Fe des hydrogénases à FeFe, qui était la seule maturase du système Hyd dont la structure n'était pas connue. Nos résultats structuraux et fonctionnels suggèrent que HydG synthétise successivement le ligand CN- dans un site actif basique, puis le ligand CO sur le cinquième Fe de son agrégat [5Fe-4S] C-terminal. Ce dernier pourrait être stabilisé par un ligand cystéine ou homocystéine. / Many proteins have inorganic cofactors containing transition metals. The physicochemical properties of these metals allow the enzymes, which carry them to catalyze reactions not possible when only using the chemical properties of the twenty-two amino acids. However, these metals are toxic to the cell when they are free. Consequently, the synthesis and incorporation of these cofactors into enzymes requires complex protein assembles. In this thesis, the FeS clusters synthesis mechanisms by the ISC (Iron-Sulfur Cluster) and Hyd (Hydrogenase) machineries were studied. The ISC system corresponds to the primary FeS clusters assembly machinery in bacteria, and a homologous system exists in mitochondria. The Hyd system is FeFe-hydrogenase active site maturation machinery found in several lower eukaryotes (algae and protists) and in a wide variety of bacteria. Initially, we studied the ISC machinery from Archaeoglobus fulgidus whose core is composed of the cysteine desulfurase IscS and the scaffold protein IscU; IscS delivers the sulfur needed for the FeS assembly to IscU. From this study we conclude that IscS from Archaeoglobus fulgidus has no cysteine desulfurase activity, but it still plays a fundamental role in FeS cluster synthesis by IscSU complex by providing a cysteine ligand to the nascent cluster. Secondly, we studied the radical S-adenosyl-L-methionine HydG, responsible for the synthesis of CN- and CO ligand of the active site [FeFe] subcluster, which was the only Hyd system maturase for which the structure was unknown. Our structural and functional results suggest that HydG successively synthesizes the CN- ligand at a basic site, and then the CO ligand at the unique fifth Fe ion of its C-terminal [5Fe-4S] cluster. The latter could be stabilized by either a cysteine or a homocysteine ligand.

À ce jour, nos connaissances sur les propriétés structurales et fonctionnelles des métalloprotéines sont essentiellement basées sur des structures résolues par des méthodes de diffraction à rayons X appliquées à des échantillons monocristallins. Cependant, certaines protéines ne cristallisent pas ou cristallisent sous une forme qui n’est pas manipulable ou compatible avec des techniques des diffraction, et même si une structure à très haute résolution est disponible, la nature de l’ion métallique, sa géométrie de coordination ou son état d’oxydation restent souvent indéterminés.La Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR) est une technique très performante pour l’étude de systèmes biologiques et pour la caractérisation de la structure du site actif des métalloprotéines paramagnétiques, mais son application à l’analyse des noyaux proches d’un site paramagnétique est limitée à cause de la résolution et de la sensibilité faibles.L’objectif de cette thèse a été de développer des méthodes RMN basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS) pour faire face à ces problématiques. Un répertoire de séquences d’impulsion pour la détection et l’attribution des noyaux à proximité d’un centre paramagnétique est proposé, et à l’aide de méthodes de calculs de pointes, les données expérimentales acquises sont converties en contraintes structurales afin de déterminer la géométrie du site actif à l’échelle atomique. Cette approche est validée avec l’analyse de sites actifs de deux protéines microcristallines contenants différents ions paramagnétiques : Fe, Cu et Co. Ensuite, des données préliminaires sur un transporteur membranaire d’ions métalliques divalents non cristalline sont présentées.Les méthodes analytiques présentées ici constituent un ensemble d’outils indispensable pour l’élucidation de la structure et la fonction des sites métalliques de systèmes macromoléculaires biologiques. / Most of our understanding of metalloproteins derives from atomic or molecular structures obtained from diffraction methods on single crystal samples. However, not all proteins are amenable for diffraction studies, and even when a highly-resolved structure is available, often the nature of the metal ion, its coordination geometry or its oxidation state are not determined. The aim of the present thesis is the investigation of structural properties of metal sites in paramagnetic metalloproteins by Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR). MAS NMR is a powerful technique for the investigation of biological systems, and may represent a direct probe of the structure at the active site of paramagnetic metalloproteins. However, it suffers from limited sensitivity and resolution when applied to nuclei close to a paramagnetic center.In this thesis, we address these limitations by developing NMR methods based on ultra-fast (60-111 kHz) MAS rates. A “toolkit” of suitably designed pulse sequences is built for the detection and the assignment of nuclei in close proximity of a paramagnetic center. State-of-the-art computational techniques are also employed to convert the experimental data into structural restraints for obtaining atomic-resolution geometries of active sites. We benchmark this approach with the study of Fe, Cu and Co sites in two microcrystalline proteins, and we also provide preliminary data on a non-diffracting divalent metal ion transporter in lipid membranes. We anticipate that the techniques described here are an essential tool to elucidate many currently unanswered questions about structure and function of metal sites in structural biology.