Dans ce projet de thèse, une variété de techniques a été employée pour étudier l’alpha-L-arabinofuranosidase de Thermobacillus xylanilyticus (TxAbf), notamment en ce qui concerne les relations structure/fonctions et son activité de transglycosylation. Nos travaux ont eu pour objectif d’apporter un éclairage quant au rôle de la dynamique dans l’activité catalytique de la TxAbf, en se focalisant sur le mouvement de la boucle bêta2alpha2, et d’explorer la spécificité du sous-site [+1], un élément du site actif qui est particulièrement pertinent pour l’activité de transglycosylation. Enfin, nous avons entrepris des travaux d’ingénierie visant la création de transarabinofuranosylases performantes. Nos résultats confirment le rôle important de la boucle bêta2alpha2 et suggèrent que le mouvement de celle-ci permet de relocaliser les résidus His98 et Trp99 de manière à créer un site actif opérationnel. Le résidu Trp99 apparaît comme un élément clé du sous-site [-1] de la TxAbf, alors que le résidu His98, qui n’est pas conservé dans l’ensemble des enzymes de la famille GH51, participerait à la formation d’un sous-site [+2’]. Concernant le sous-site [+1], nos résultats confirment la large spécificité celui-ci et montrent clairement que l’encombrement stérique à la position C-5 des glycosides accepteurs est défavorable à la réaction de transglycosylation. Par ailleurs, nous avons pu réaliser pour la première fois la synthèse de trisaccharides, utilisant comme accepteur l’alpha-D-xylobioside de benzyle et comme donneur le β-D-galactofuranoside de para-nitrophényle. Enfin, nos travaux de mutagenèse aléatoire et le criblage de banques a permis d’identifier deux mutations Phe26Leu et Trp178Arg, qui se situent au niveau des sous-sites [-1] et [+1], respectivement. Selon nos premières analyses, les mutants correspondants rendraient moins favorable la déglycosylation de l’intermédiaire glycosyl-enzyme par une molécule d’eau, réduisant ainsi l'hydrolyse secondaire et stabilisant par la même occasion le produit de synthèse. En employant une deuxième méthode de criblage plus sophistiquée, impliquant l’utilisation d’accepteurs xylo-oligosaccharidiques, nous avons pu obtenir des enzymes mutées qui (i) catalysent des réactions de transglycosylation en présence de xylobiose (l’enzyme sauvage ne catalysant que très faiblement cette réaction) (ii) se caractérisent par une absence quasi-totale d’hydrolyse secondaire et (iii) comportent des mutations situées à différentes positions (e.g. au niveau des sous-sites [-1], [+1] et [+2’]) et qui semblent moduler le ratio Transglycosylation/Hydrolyse en faveur de la synthèse / In this investigation, a variety of techniques to study the Thermobacillus xylanilyticus alpha-L-arabinofuranosidase (TxAbf) have been employed, especially with regard to structure-functions relations and the enzyme’s ability to catalyze transglycosylation reactions. The aim of our work was to better understand the dynamic role of the bêta2alpha2 loop and to explore the substrate specificity of the subsite [+1], an important active site element with respect to transglycosylation. Finally, this work has focused on the creation of new transarabinofuranosylases using random engineering and screening approaches.Our results confirm the important role of the bêta2alpha2 loop and suggest that its movement during catalysis relocalizes residues His98 and Trp99 and thus permits the formation of a catalytically-viable active site configuration. Trp99 is relocalized from a solvent exposed position into a buried position and forms a critical element of subsite [-1], whereas His98, a residue that is not conserved in all GH51 members, appears to form a part of subsite [+2’]. Regarding subsite [+1], our results confirm its wide specificity and indicate that steric bulkiness at the C-5 position of glycoside acceptors leads to reduced transglycosylation. In this work, we have also demonstrated for the first time the synthesis by TxAbf of trisaccharides, using benzyl alpha-D-xylobioside as the acceptor and para-nitrophenyl β-D-galactofuranoside as the donor. Finally, random mutagenesis and screening has led to the identification of two mutations Phe26Leu and Trp178Arg, which are located in sub-sites [-1] and [+1] respectively, that appear to reduce the water-mediated deglycosylation of the glycosyl-enzyme intermediate. Consequently, the corresponding mutants reduce secondary hydrolysis and favourably affect the operational stability of synthetic products. Using a second more sophisticated screening method that involves the use of xylo-oligosaccharide acceptors, it has been possible to isolate mutant enzymes that (i) catalyze transglycosylation reactions in the presence of xylobioside (a reaction that is poorly catalyzed by wild type TxAbf), (ii) show almost no secondary hydrolysis, (iii) display point mutations at several key locations (e.g. in sub-sites [-1], [+1] and [+2’]) that seem to modulate the Transglycosylation/Hydrolysis ratio in favour of synthesis

La création de nouvelles enzymes pour l’hydrolyse de la biomasse est une stratégie clé pour ledéveloppement du bioraffinage. Dans ce contexte, les xylanases de la famille GH11 sont déjàdéployées dans de nombreux procédés industriels et donc bien positionnées pour jouer un rôleimportant dans ces procédés. La cible de cette étude, la xylanase GH11 (Tx-Xyl) de la bactérieThermobacillus xylanilyticus, est une enzyme thermostable et donc une bonne candidate pour destravaux d’ingénierie visant l’amélioration de son activité sur des substrats ligno-cellulosiques.Dans cette étude, deux stratégies d’ingénierie des enzymes ont été employées afin d’obtenir denouvelles informations portants sur les relations structure-fonction au sein de Tx-Xyl. La premièrestratégie a consisté en l’utilisation d’une approche de mutagenèse aléatoire, couplée à l’emploi deméthodes de recombinaison in vitro. Ces travaux avaient pour objectif d’améliorer la capacitéhydrolytique de Tx-Xyl sur la paille de blé. La deuxième stratégie mise en oeuvre s’est appuyée surune approche semi-rationnelle visant la création d’une enzyme chimérique, qui bénéficierait d’uneamélioration des interactions enzyme-substrat au niveau du sous-site -3.Le premier résultat majeur de cette thèse concerne le développement d’une méthode de criblagequi permet l’analyse à haut débit de banques de mutants pour la détection de variants quiprésentent une activité hydrolytique accrue directement sur paille de blé. A l’aide de ce crible, nousavons pu analyser plusieurs banques de mutants, représentant un total de six générations demutants, et identifier une série de combinaisons de mutations différentes. D’un côté, un variant,comportant deux mutations silencieuses, permet une meilleure expression de Tx-Xyl, alors qued’autres enzymes mutées présentent des modifications intrinsèques de leurs aptitudes catalytiques.Comparés à l’enzyme parentale Tx-Xyl, certains mutants solubilisent davantage les arabinoxylanes dela paille et, lorsqu’ils sont déployés avec un cocktail de cellulases, participent à une réactionsynergique qui permet un accroissement du rendement des pentoses et du glucose libérés.A l’aide d’une approche semi-rationnelle, une séquence de 17 acides aminés en provenance d’unexylanase GH11 fongique a été ajoutée à l’extrémité N-terminale de Tx-Xyl, afin de créer de nouveauxbrins β. L’enzyme chimérique a pu être exprimée avec succès et caractérisée. Néanmoins, l’analysede ses propriétés catalytiques a révélé que celle-ci ne présente pas davantage d’interactions avec sonsubstrat dans le sous-site -3, mais les résultats obtenus fournissent de nombreux renseignements surles relations structure-fonction au sein de l’enzyme. De plus, ces travaux nous permettent depostuler que Tx-Xyl posséderait un site de fixation secondaire pour les xylanes, un élement jusqu’iciinsoupçonné dans cette enzyme. Par ailleurs, l’analyse de nos résultats nous permet de proposer uneexplication rationnelle pour l’échec de notre stratégie initiale / Engineering new and powerful enzymes for biomass hydrolysis is one area that will facilitate thefuture development of biorefining. In this respect, xylanases from family GH11 are already importantindustrial biocatalysts that can contribute to 2nd generation biorefining. The target of this study, theGH11 xylanase (Tx-Xyl) from Thermobacillus xylanilyticus is thermostable, and is thus an interestingtarget for enzyme engineering, aiming at increasing its specific activity on lignocellulosic biomass,such as wheat straw. Nevertheless, the action of xylanases on complex biomass is not yet wellunderstood, and thus the use of a rational engineering approach is not really feasible.In this doctoral study, to gain new insight into structure-function relationships, two enzymeengineering strategies have been deployed. The first concerns the development of a randommutagenesis and in vitro DNA shuffling approach, which was used in order to improve the hydrolyticpotency of Tx-Xyl on wheat straw, while the second strategy consisted in the creation of a chimericenzyme, with the aim of probing and improving -3 subsite binding, and ultimately improvinghydrolytic activity.The first key results that has been obtained is the development of a novel high-throughputscreening method, which was devised in order to reliably pinpoint mutants that can better hydrolyzewheat straw. Using this screening method, several generations of mutant libraries have beenanalyzed and a series of improved enzyme variants have been identified. One mutant, bearing silentmutations, actually leads to higher gene expression, while others have intrinsically altered catalyticproperties. Testing of mutants has shown that some of the enzyme variants can improve thesolubilization of wheat straw arabinoxylans and can work in synergy with cellulose cocktails torelease both pentose sugars and glucose.Using a semi-rational approach, 17 amino acids have been added to the N-terminal of Tx-Xyl, withthe aim of adding two extra β-strands coming from a GH11 fungal xylanase. A chimeric enzyme hasbeen successfully expressed and purified and its catalytic properties have been investigated.Although this approach has failed to create increased -3 subsite binding, the data presented revealsimportant information on structure-function relationships and suggest that Tx-Xyl may possess ahitherto unknown secondary substrate binding site. Moreover, a rational explanation for the failureof the original strategy is proposed.