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.

Ces travaux de thèse pluridisciplinaires à l‘interface entre biocatalyse et nanomatériaux visent la conception de matériaux biohybrides innovants par assemblage dans des conditions douces de matériaux inorganiques de type hydroxydes doubles lamellaires (HDL) avec des enzymes. La première partie de ce mémoire est consacrée à la caractérisation des interactions physico-chimiques entre les HDL et la fructose-6-phosphate aldolase (FSA) catalysant la formation stéréosélective de liaisons C-C pour conduire à des polyols chiraux. Les structures lamellaires HDL permettent un confinement efficace de systèmes enzymatiques grâce à leur structure bidimensionnelle poreuse, leurs propriétés physico-chimiques favorables à l‘échange ionique et leur biocompatibilité. Différentes stratégies d‘immobilisation de la FSA dans des matrices d‘HDL ont été explorées, le taux d‘immobilisation et l‘activité biocatalytique étant fortement dépendant de la méthode d‘assemblage et de la nature des phases HDL. Le taux d‘immobilisation de l‘enzyme obtenu par coprécipitaton est supérieur à celui obtenu par adsorption. Dans une deuxième partie, un bioréacteur a été élaboré par un assemblage hiérarchisé constitué de la FSA, de nanoplaquettes d‘HDL et de billes de polysaccharide, ce dernier jouant le rôle de matrice macrostructurante. De façon notable, le taux d‘encapsulation de l‘enzyme dans la matrice macroscopique est amélioré lorsque le biocatalyseur est pré-encapsulé dans les nanoplaquettes d‘HDL. Ceci est attribué aux interactions électrostatiques favorables entre les chaînes de polysaccharide et les HDL, facilitant une charge de matière plus importante. L‘efficacité catalytique du bioréacteur obtenu et sa recyclabilité ont été démontrés. Dans la troisième partie de cette thèse, nous décrivons pour la première fois la conception de bionanoréacteurs enzymes@HDL par co-immobilisation de systèmes bi- ou tétra-enzymatiques dans les HDL permettant de réaliser des cascades multienzymatiques biomimétiques. L‘immobilisation des différentes enzymes prises séparément a d‘abord été optimisée afin de déterminer les conditions de co-immobilisation et de réaliser les cascades biocatalytiques en phase hétérogène. Ces bionanoréacteurs, dont nous avons démontré la recyclabilité, ont été appliqués pour la synthèse de sucres phosphorylés de série D. Enfin, une cascade multienzymatique a été conçue de novo en solution aqueuse et optimisée pour synthétiser différents sucres phosphorylés rares de série L. / This multidisciplinary thesis at the biocatalysis/nanomaterial interface perfectly aims at designing innovative biohybrid materials by the assembly of inorganic materials the Layered Double Hydroxides (LDH) with enzymes under mild conditions. The first part of this thesis is devoted to the characterization of physico-chemical interactions between the LDH and the fructose-6-phosphate aldolase (FSA) catalyzing the stereoselective C-C bond formation to provide chiral polyols. LDH structures allow the effective confinement of enzymatic systems thanks to their opened two-dimensional structure as well as their chemical surface properties at the nanoscale and their biocompatibility. The FSA immobilization in different LDH matrices by different methods was studied. Biocatalytic activity is highly dependent on the method of assembling, modulating the final amount of FSA. The retaining activity rate of co-precipitated material was higher than that obtained for the adsorbed enzyme. In a second part, a bionanoreactor was developed based on a hierarchized assembly of FSA, LDH nanoplatelets and polysaccharide beads acting as a macrostructuring matrices. Significantly, the encapsulated enzyme rate in the beads was improved when the biocatalyst was pre-encapsulated in LDH nanoplatelets. This is attributed to favorable electrostatic interactions between the polysaccharide chains and LDH, facilitating a higher catalyst loading. The catalytic efficiency of the prepared bioreactor and its recyclability were demonstrated. In the third part of this thesis, we describe for the first time the design of bionanoreactors ―enzymes@LDH‖ by co-immobilisation of two and four enzymes in LDH allowing biomimetic multienzymatic cascades. We first studied the immobilization of the different enzymes taken separately. Then we worked on the optimization of the biocatalytic cascades in heterogeneous phase. These bionanoreactors, for which we have shown the recyclability, have been applied to the synthesis of D-series phosphorylated sugars. Finally, a multienzymatic cascade was de novo designed in aqueous homogeneous solution. It was optimized for the synthesis of rare L-phosphorylated sugars.

Understanding the internal organization of cells from the molecular up to organelle level is a current challenge for biology if we are to better comprehend the mechanisms by which cellular processes occur. A prevailing view of the cell interior is that biochemical reactions and molecular movements are dominated by random diffusion. However, in addition to being compartmented into organelles, cells may well be organized at a finer level. Proteins may localise to specific areas within sub-cellular compartments, by associating with each other, the cytoskeleton and organelle membranes. Thus giving rise to distinct microcompartments. Considerable in vitro evidence exists for such interactions between enzymes and larger cellular components. This strengthens the idea that cells may be microcompartmented. However, little in vivo evidence supports this hypothesis, especially in plants. As a test-case for the concept of microcompartmentation this project investigated the sub-cellular distribution of the glycolytic enzyme fructose-bisphosphate aldolase in Arabidopsis thaliana; the ultimate aim being to establish whether it is microcompartmented in vivo and, further, to test the potential function(s) of such microcompartmentation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les glycosidases sont des enzymes impliquées dans un grand nombre de processus biologiques. Leurs inhibiteurs présentent un potentiel thérapeutique en tant qu'agents antidiabétiques, agents antiviraux ou agents pour traiter des maladies génétiques. Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à développer une voie de synthèse chimioenzymatique permettant d'accéder à des analogues de la valiolamine, puissant inhibiteurs d'alpha-glucosidases. Les aminocyclitols que nous avions pour objectif de préparer diffèrent de la valiolamine par la position du groupement amino et des stéréochimies des hydroxyles. Nous avons synthétisé ces aminocyclitols selon une méthode originale, basée sur un procédé en un seul pot mettant en jeu deux enzymes et trois réactions : une aldolisation catalysée par la fructose-1,6- biphosphate aldolase, une déphosphorylation catalysée par une phytase et une nitroaldolisation intramoléculaire. Ainsi deux liaisons C-C sont formées de façon hautement stéréosélective en une seule étape. Nous avons synthétisé neuf nouveaux aminocyclitols et deux nouveaux zwitterions et dérivé N-alkylé. Quelque aminocyclitols se sont révélés des inhibiteurs sélectifs de la béta-glucosidase d'amandes douces et de la béta-galactosidase d'Aspergillus oryzae.

Microbial degradation of aromatic hydrocarbons is imperative for maintaining the global carbon cycle and removing potentially toxic aromatic xenobiotics. This thesis focuses on the characterization of a pyruvate-specific class II aldolase (BphI) and acetaldehyde dehydrogenase (BphJ), the final two enzymes of the bph meta-cleavage pathway in Burkholderia xenovorans LB400. This pathway is responsible for the degradation of the industrial pollutant polychlorinated biphenyls (PCB) and therefore mechanistic characterization of these enzymes can be applied to improve pollutant degradation. BphI catalyzes the aldol cleavage of 4-hydroxy-2-oxoacids to pyruvate and an aldehyde while BphJ transforms aldehydes to acyl-CoA, using NAD+ and CoASH as cofactors. Size-exclusion chromatography was used to determine that the oligomeric unit of the BphI-BphJ complex is a heterotetramer. The aldolase BphI was shown to exhibit a compulsory order mechanism and utilize 4-hydroxy-2-oxoacids with an S configuration at C4. The generation of BphI active site variants allowed for the proposal of a catalytic mechanism and a greater understanding as to how stereospecificity occurs. Using steady-state kinetic assays, Arg-16 was demonstrated to be essential for catalysis. Molecular modeling of the substrate and pH dependency (wild-type pKa of ~7, lost in H20A and H20S variants) were used to identify His-20 as the catalytic base. Tyr-290 was originally proposed to be the catalytic acid. However, this was refuted as a Tyr-290 (Y290F) variant did not affect the catalytic efficiency of the enzyme. Instead, the variant was observed to exhibit a loss of stereochemical control. From the crystal structure of an orthologous aldolase-dehydrogenase complex, solvent isotope effect studies, and a proton inventory, a water molecule was implicated as the catalytic acid. Based on their position within the crystal structure, Leu-87 and Leu-89 were implicated in substrate specificity. Replacement of Leu-89 with alanine effectively increased the length of the active site, allowing for the accommodation of longer aldehyde substrates. In contrast, Leu-87 was responsible for hydrophobic stabilization of the C4-methyl of the substrate. Double variants L87N;Y290F and L87W;Y290F were constructed to enable the binding of 4(R)-hydroxy-2-oxoacids. Polarimetric analysis confirmed that the double variants were able to synthesize 4-hydroxy-2-oxoacids of up to 8 carbons in lengths, which were of the opposite stereoisomer to those produced by the wild-type enzyme. Cys-131 was identified as the catalytic thiol that forms an acyl-enzyme intermediate in the dehydrogenase, BphJ. This enzyme was shown to exhibit similar specificity constants for acetaldehyde and propionaldehyde and utilize aliphatic aldehydes from two to five carbons in length as substrates. The enzyme was able to use either NAD+ or NADP+ as the cofactor. Finally, we demonstrated that aldehydes produced in the aldolase reaction are not released into the bulk solvent but are channeled directly to the dehydrogenase, providing the first biochemical determination of substrate channeling in any aldolase-dehydrogenase complex. / Chapter 3 - Reprinted (adapted) with permission from Baker, P., Carere, J., and Seah, S. Y. (2011) Probing the Molecular Basis of Substrate Specificity, Stereospecificity, and Catalysis in the Class II Pyruvate Aldolase, BphI, Biochemistry 50: 3559-3569. Copyright (2011) American Chemical Society. Chapter 4 - Reprinted (adapted) with permission from Baker, P., and Seah, S. Y. (2012) Rational design of stereoselectivity in the class II pyruvate aldolase BphI, J Am Chem Soc 134: 507-513. Copyright (2012) American Chemical Society. Chapter 6 - Reprinted (adapted) with permission from Baker, P., Hillis, C., Carere, J., and Seah, S. Y. (2012) Protein-protein interactions and substrate channeling in orthologous and chimeric aldolase-dehydrogenase complexes, Biochemistry 51: 1942-1952. Copyright (2012) American Chemical Society. / National Science and Engineering Research Council of Canada (NSERC), Ontario Graduate Scholarship in Science and Technology

Les glycosidases sont des enzymes impliquées dans de nombreux processus biologiques. Entre autres, elles sont responsables de la dégradation des déchets polysaccharidiques de nos cellules. Lorsqu'une modification génétique touche un gène qui code pour une de ces enzymes, des pathologies graves regroupées sous l'appellation de " maladies lysosomales " peuvent être déclenchées. L'objectif de ce projet a été de proposer une méthode de synthèse efficace de molécules potentiellement actives spécifiquement sur l'une ou l'autre de ces maladies. Les molécules ciblées sont des inhibiteurs de glycosidases de la famille des aminocyclitols, utilisés dans une stratégie thérapeutique émergente " par molécules chaperonnes ". La méthode de synthèse développée s'appuie sur une étape enzymatique clé utilisant les aldolases comme catalyseurs et répondant aux contraintes environnementales actuelles de la chimie verte. Nous avons atteint nos objectifs grâce à l'utilisation de trois aldolases différentes, produites et purifiées pour la première fois au sein de notre laboratoire. Il s'agit de la fuculose-1-phosphate aldolase F1PA, de la rhamnulose-1-phosphate aldolase R1PA et de la nouvellement découverte fructose-6-phosphate aldolase FSA. La formation d'une quarantaine de nitrocyclitols, de stéréochimies définies, précurseurs des aminocyclitols correspondant, a ainsi été réalisée avec de très bons rendements de synthèse.

Um Beweise für eine mögliche Mikrokompartimentierung der Glykolyse im pflanzlichen System zu erhalten, sollten in der vorliegenden Arbeit Protein-Protein-Interaktionen der cytosolischen Mais-Aldolase mit anderen Proteinen experimentell nachgewiesen werden. Die in Tieren bekannte Interaktion des glykolytischen Enzyms Aldolase mit Aktin, einem Bestandteil des Cytoskeletts, wurde für Pflanzen in vitro durch Copolymerisationsversuche bestätigt. Die Bindung pflanzlicher Aldolase an Aktinfilamente wurde anders als im tierischen System durch das Substrat Fructose-1,6-bisphosphat auch in hohen Konzentrationen (10 mM) nicht vollständig verhindert, sondern führte lediglich zu einer um 50% verringerten Bindung. Eine ebenfalls hemmende Wirkung auf die Bindung der Aldolase an Aktin wiesen Fructose-6-phosphat und Fructose-2,6-bisphosphat in Konzentrationen von 10 mM auf. Ein eindeutiger Einfluss des Redox-Milieus auf die Aldolase-Aktin-Bindung konnte nicht nachgewiesen werden. Mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit etablierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurden weitere Interaktionspartner der Aldolase identifiziert. Insgesamt wurden neun mögliche Protein-Protein-Interaktionen nachgewiesen, bei denen es sich jedoch zum Teil um falsch-positive Interaktionen handeln kann. Neben einigen noch unbekannten Proteinen konnten Interaktionen mit einem Translations-Initiationsfaktor und dem spannungsabhängigen Anionenkanalprotein VDAC nachgewiesen werden. In Bindeversuchen auf Grundlage der Affinitätschromatographie mit den rekombinanten Proteinen VDAC und Aldolase wurde ein weiterer Hinweis auf eine Interaktion zwischen VDAC und Aldolase erhalten. Aufgrund unspezifischer Bindungen der Aldolase an die Affinitätsmatrix konnte mit dieser Methode jedoch keine eindeutige Verifizierung der Interaktion erzielt werden. Eine eindeutige Bestätigung der Interaktionen zwischen Aldolase und Aktin sowie zwischen Aldolase und VDAC erfolgte durch Far-Western-Blots .

Small proteins are difficult to study at high resolution with single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM). In general, sample properties such as large size (> 80 kDa), symmetry and rigidity are key to utilize this technology. To facilitate structural studies of small proteins as well, using cryo-EM, this project aims to incorporate a photo-inducible cross-link in a large and symmetric scaffold that is amenable for study, and covalently bind small proteins of interest to this scaffold. The scaffold in this project consists of rabbit muscle aldolase (157 kDa in tetrameric state) with an engineered affibody affinity protein (7 kDa) attached to the N-terminus of each aldolase monomer via a rigid helix fusion. The affibody-domain of the scaffold will be cross-linked to small proteins of structural interest, with a focus on a model target consisting of a second affibody with affinity for the affibody displayed on the aldolase scaffold. Photoconjugation of the affibody Zwt was performed to crosslink both the Fc of IgG and the anti-idiotypic affibody Z963, revealing that a methionine acceptor in the target is preferable but not necessary for UV crosslinking using BPA. Binding of affibodies rigidly displayed on of the scaffold to targets such as affibodies and antibody fragments was demonstrated , using surface plasmon resonance (SPR). / Att studera små protein vid hög upplösning med enpartikelsrekonstruktion i kryo-elektronmikroskopi (kryo-EM) är utmanande. Generellt så krävs stora (> 80 kDa), symmetriska och stabila protein för att använda sig av kryo-EM. Med målet att möjliggöra strukturbestämning och strukturella studier av små protein, så ska detta projekt föra in en foto-aktiverad korslänk i ett stort och symmetriskt bärarprotein. Bäraren består av aldolas från kaninmuskel (157 kDa som tetramer) med en affibody (7 kDa) kopplad till N-terminalen av varje aldolas-monomer via en rigidt fuserad helix. Affibody-domänen av bärarproteinet kan bilda korslänkar till små protein vars struktur sedan kan studeras. Fokus i projektet är ett modellprotein som består av en annan affibody som binder den affibody i bäraren. Fotokonjugering av affibodyn Zwt utfördes för att skapa korslänkar till både Fc av IgG, samt den anti-idiotypiska affibodyn Z963, vilket påvisade att en metionin-mottagare i målproteinet är fördelaktigt för UV korslänkning med BPA, men inte ett krav. Affinitet av affibodies i bärarproteinet till målprotein såsom andra affibodies och antikroppsfragment påvisades.

This thesis describes the use of rational redesign to modify the properties of the enzyme Candida antarctica lipase B. Through carefully selected single-point mutations, we were able to introduce substrate-assisted catalysis and to alter the reaction specificity. Other single-point mutations afforded variants with greatly changed substrate selectivity and enantioselectivity. Mutation of the catalytic serine changed the hydrolase activity into an aldolase activity. The mutation decreased the activation energy for aldol addition by 4 kJ×mol-1, while the activation energy increased so much for hydrolysis that no hydrolysis activity could be detected. This mutant can catalyze aldol additions that no natural aldolases can catalyze. Mutation of the threonine in the oxyanion hole proved the great importance of its hydroxyl group in the transition-state stabilization. The lost transition-state stabilization was partly replaced through substrate-assisted catalysis with substrates carrying a hydroxyl group. The poor selectivity of the wild-type lipase for ethyl 2-hydroxypropanoate (E=1.6) was greatly improved in the mutant (E=22), since only one enantiomer could perform substrate-assisted catalysis. The redesign of the size of the stereospecificity pocket was very successful. Mutation of the tryptophan at the bottom of this pocket removed steric interactions with secondary alcohols that have to position a substituent larger than an ethyl in this pocket. This mutation increased the activity 5 500 times towards 5-nonanol and 130 000 times towards (S)-1-phenylethanol. The acceptance of such large substituents (butyl and phenyl) in the redesigned stereospecificity pocket increases the utility of lipases in biocatalysis. The improved activity with (S)-1-phenylethanol strongly contributed to the 8 300 000 times change in enantioselectivity towards 1-phenylethanol; example of such a large change was not found in the literature. The S-selectivity of the mutant is unique for lipases. Its enantioselectivity increases strongly with temperature reaching a useful S-selectivity (E=44) at 69 °C. Thermodynamics analysis of the enantioselectivity showed that the mutation in the stereospecificity pocket mainly changed the entropic term, while the enthalpic term was only slightly affected. This pinpoints the importance of entropy in enzyme catalysis and entropy should not be neglected in rational redesign.