La protéine SufA d'Escherichia coli est une protéine homodimérique, dite d'échafaudage, qui permet l'assemblage de centres [Fe-S] avant de les transmettre à une protéine cible possèdant une fonction biologique. Elle appartient à un ensemble de protéines organisées en opéron (SUF) qui semble activé dans le cadre de stress oxydatif. Afin de mieux comprendre le mode de fixation du centre [Fe-S] par la protéine SufA, la détermination de la structure tridimensionnelle par RMN a été entreprise. Nous avons obtenu la structure monomérique de la protéine sans son centre [Fe-S] (forme apo) et effectué des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) préliminaires de la protéine SufA avec son centre métallique reconstitué. Nous avons pu ainsi observer trois résidus cystéine, que des études biochimiques ont montré comme étant impliqués dans la chélation du centre [Fe-S], et affirmer qu'ils étaient proches du site métallique sans toutefois définir exactement le mode de coordination du centre [Fe-S]. La détermination de la structure du dimère, en cours, et des études RMN complémentaires sur l'holoprotéine (avec son centre [Fe-S]) devrait nous permettre de répondre à ces questions toujours en suspens. D'autre part nous avons observé des différences structurales par rapport aux structures cristallographiques (publiées au cours de ce travail de thèse), particulièrement dans la partie C-terminale de la protéine où se situent deux des cystéines observées.

La voie de synthèse des acides aminés ramifiés est présente chez les plantes, les bactéries et les champignons mais est absente chez les mammifères. C’est pourquoi il est intéressant de cibler cette voie métabolique par des inhibiteurs spécifiques des enzymes qui la compose afin de développer des herbicides non sélectifs. Une famille d’herbicide déjà commercialisée agit sur la première enzyme de cette chaine enzymatique. Néanmoins des cas de mauvaises herbes résistantes à ces composés sont apparus et leur incidence continue d’augmenter. Il apparait donc important de cibler une autre enzyme de la voie de synthèse de ces acides aminés ramifiés afin de contourner ce problème de résistance.L’enzyme cétoacide réductoisomérase (KARI) intervient également dans la voie métabolique citée précédemment. Deux inhibiteurs IpOHA et Hoe 704 ont été développés dans les années 1980, mais malheureusement n’ont pas montré d’activité lors de traitements en plein champ. Cependant ils restent tous les deux, les références en tant qu’inhibiteurs in vitro.L’analyse de la diffraction par rayons X de KARI cristallisée avec un des inhibiteurs ou son substrat naturel montre que les groupements fonctionnels portés par ces derniers viennent complexer deux cations métalliques au sein du site actif. De plus la comparaison des structures des inhibiteurs ou des états de transition du substrat permet de dégager une structure générale pour le développement de nouvelles molécules potentiellement actives. Ainsi trois sous-structures doivent être présentes avec une double pince complexante, un groupement lipophile et un groupement accepteur de liaison hydrogène.Dans ce contexte, différents groupements comme des oxydes de diorganylphosphines, des dihydropyrimidinediones, des dérivés d’acides carboxyliques ou hydroxamiques peuvent être modifiés et utilisés comme motifs complexants. Les fonctions et groupements fonctionnels cités ont déjà prouvé leur efficacité lors du développement d’autres inhibiteurs de métalloenzymes. / The branched-chain amino acids metabolic pathway is present in many living beings such as plants, bacteria and fungi but not in mammals. This is why it has been interesting to target this enzymatic pathway with specific inhibitors in order to develop non-selective herbicides. The main non-selective herbicides commercialised inhibit the first enzyme of this metabolic route. However more and more cases of resistant weed appeared and spread. Thus it raises the interest and importance of designing new compounds targeting another enzyme from the biological pathway in order to circumvent the resistance issue.The Ketolacid Reductoisomerase (KARI) protein also intervenes in the aforementioned enzymatic pathway. Although two inhibitors, IpOHA and Hoe 704, were synthesised during the 80s they have not proven active enough in field treatment. Nonetheless both inhibitors remain as references for in vivo biological activity.The X-ray diffraction representations of KARI including each inhibitor or its natural substrate show that the functional groups borne by the latter chelate two metal cations within the active site. Moreover the comparison between inhibitor structures and the substrate transition states reveals a general pattern in order to design and develop new potential biologically active compounds. For that purpose three major substructure units have to be considered: a double chelating pincer, a lipophilic group and a hydrogen bond accepting moiety.In this context different functional groups such as diorganylphosphine oxides, dihydropyrimidinediones, carboxylic acid or hydroxamic acid derivatives could be modified and used as chelating motifs. The functional groups listed have already proven their efficacy as part of other metalloenzyme inhibitors.

Ce travail de thèse est consacré à la conception de métalloenzymes artificielles. Un tel concept permet de combiner les avantages des catalyseurs enzymatiques et organométalliques, tels que la sélectivité catalytique élevée et l'efficacité des systèmes enzymatiques et la large portée de substrats des catalyseurs des métaux de transition. Notre approche repose sur l’utilisation de complexes de métaux de transition avec un ligand prochiral hémilabile, qui une fois insérés dans la protéine hôte sera forcé d’adopter une configuration spécifique. La chiralité sera ainsi amenée au plus près du centre métallique et permettra d’augmenter l’énantioselectivité des réactions catalysées. Dans cette thèse, nous rapportons la synthèse de nouveaux complexes de palladium à ligands pinces NCN hémilabiles prochiraux et l’étude de leurs propriétés structurales. De plus, l’ancrage supramoléculaire de ces complexes dans la β-lactoglobuline (β-LG) bovine a été étudié expérimentalement et théoriquement par modélisation moléculaire. Ces constructions ont montré une activité catalytique dans la condensation d’aldol dans l’eau, et permettent d’obtenir, dans certains cas, le produit Cis. Cette diastéréosélectivité inhabituelle résulte de la seconde sphère de coordination apportée par l'hôte protéique. Dans une deuxième partie, on rapporte la synthèse de nouveaux complexes semi-sandwich de ruthénium avec des ligands β-aminothioéther hémilabiles, ainsi que l'étude de leur insertion dans la protéine. Les hybrides catalysent l'hydrogénation par transfert d'arylcétones avec une énantiosélectivité élevée. L'amélioration de la sélectivité a été attribuée au transfert de chiralité de la protéine vers le complexe et à son tour vers le produit de réaction. / This PhD work focused on the development of artificial metalloenzymes. Such a concept allows to combine typical advantages of both enzymatic and organometallic catalysts, such as high catalytic selectivity and efficiency of enzymatic systems and wide substrate scope of transition metals catalysts. Our approach consists in the utilization of transition metal complexes with a prochiral hemilabile ligand, once embedded within the protein host, could be forced to adopt a specific stereoconfiguration. This would in turn make possible to bring the chirality centers closer to the catalytic metal center and, therefore, to increase the enantioselectivity of catalyzed reactions.In this thesis, we report the synthesis of new palladium complexes of prochiral hemilabile NCN pincer ligands and the study of their structural properties. Furthermore, the supramolecular anchoring of these complexes to bovine β-lactoglobulin (β-LG) was studied both experimentally and theorically by computational calculation. These constructs were shown to catalyze aldol condensation reactions in aqueous media, affording, in some cases, the less-favorable cis product. This unusual diastereoselectivity was ensued by the second sphere of coordination brought by the protein host. In a second part, the synthesis of new half sandwich ruthenium complexes of prochiral hemilabile β-aminothioether ligands is reported as well as the study of their insertion in the protein. The hybrids catalyzed the transfer hydrogenation of arylketones with high enantioselectivity. The enhancement of selectivity was attributed to chirality.

Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD) est un cofacteur clé du métabolisme cellulaire. Synthétisé à partir d'acide quinolinique (QA) chez tous les organismes vivants, la biosynthèse du QA diffère entre les eucaryotes et les procaryotes. Chez les eucaryotes, il est produit à partir de L-tryptophane alors que chez les procaryotes et les plantes, il est synthétisé par l'action concertée de deux enzymes: la L-aspartate oxydase (NadB) qui permet la formation d'iminoaspartate (IA) à partir de L-aspartate et la quinolinate synthase (NadA) qui permet la condensation de deux molécules, la dihydroxyacétone-phosphate (DHAP) et l'iminoaspartate, pour former l'acide quinolinique. En plus de cette voie dite « de novo », la plupart des organismes possèdent une voie de secours qui produit le NAD à partir de niacine provenant de l'alimentation ou de la dégradation du NAD. Chez certains pathogènes tels que Mycobacterium leprae et Helicobacter pylori, cette voie de secours n'existe pas. Ceci fait de NadA une cible particulièrement attractive pour la conception d'antibactériens et ceci d'autant plus qu'elle est absente chez l'homme.NadA est la seule enzyme de la voie de biosynthèse de novo du NAD dont le mécanisme moléculaire et la structure tridimensionnelle sous forme active (avec son centre [4Fe-4S]2+) sont inconnus. Grâce à l'utilisation d'analogues de substrats ou d'intermédiaires réactionnels, nous avons pu non seulement avancer dans l'élucidation du mécanisme moléculaire de NadA et notamment dans la compréhension du rôle du centre [4Fe-4S]2+ dans la catalyse mais en plus, nous avons été en mesure de proposer un 1er inhibiteur in vitro et in vivo de NadA : l'acide 4,5 Dithiohydroxyphtalique (DTHPA). Le DTHPA nous a fourni de bonnes bases pour la conception d'inhibiteurs puissants et spécifiques de NadA grâce à une étude Structure-Activité. Par ailleurs, nous avons résolu la 1ère structure aux rayons X de NadA sous forme holoprotéine dont les données structurales nous ont grandement aidé dans la compréhension du mécanisme de NadA. / The Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD) is a key cofactor essential for cellular metabolism. Synthesized from quinolinic acid (QA) in all living organisms, NAD biosynthesis is different between eucaryotes and procaryotes. Indeed, most of eukaryotes produce QA from L-tryptophan, whereas most of prokaryotes and plants synthesize QA by the concerted action of 2 enzymes: L-aspartate oxydase (NadB), an FAD enzyme, which catalyzes L-Aspartate oxidation to form iminoaspartate (IA) while quinolinate synthetase (NadA) allows condensation between IA and Dihydroxyacetone Phosphate (DHAP) to produce QA. Besides this « de novo » pathway, most eukaryotes and some bacteriae have a salvage pathway which allows NAD synthesis from nutrients and metabolites of NAD degradation in order to maintain a correct pool of NAD in the cell. However, some pathogens like Mycobacterium leprae, Helicobacter pylori do not possess this pathway. As a consequence, NadA represents a very attractive target for designing specific antibacterial agents since it does not exist in Human.NadA is the only metalloenzyme of NAD de novo biosynthesis whose molecular mechanism and tridimensional structure with its [4Fe-4S]2+ cluster are unknown. Using substrate and intermediate analogues, we have been able to understand better NadA mechanism, especially [4Fe-4S]2+ cluster role in catalysis. Moreover, we proposed the first in vitro and in vivo inhibitor of NadA : the 4,5 Dithiohydroxyphtalic Acid (DTHPA) which gave us basis to design powerful and specific NadA inhibitors thanks to a structure-activity relationship study. Besides, we resolved the first X-rays structure of NadA under its holoprotein form. Datas we extracted from it helped us greatly to understand NadA mechanism.

La voie non-mévalonate est fortement présente chez les plantes et les bactéries mais est absente chez les mammifères. C'est pourquoi inhiber la synthèse des isoprénoïdes et identifier un inhibiteur de cette voie enzymatique contribuera grandement à la recherche de nouveaux antibiotiques, antifongiques et herbicides. Les propriétés uniques de la 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomérase (DXR), l'enzyme centrale de cette voie enzymatique, en font une cible très intéressante pour la synthèse de nouveaux composés. La Fosmidomycine agit comme un inhibiteur de la DXR et reste aujourd'hui, avec son homologue acétylé FR90098, la référence en termes d'inhibiteur même si de nombreux efforts ont été faits pour la synthèse d'analogues depuis plusieurs années comme expliqué dans le premier chapitre avec la mise en relation de la structure des composés et leur activité. L'analyse de la diffraction des rayons X de la DXR avec la Fosmidomycine où le substrat naturel montre que la fonction phosphonate ou phosphate interagit avec une poche polaire hautement spécifique dans le site actif de l'enzyme permettant peu de modifications. Par comparaison, la fonction acide hydroxamique qui chélate le cation de l'enzyme offre la possibilité de modifications par l'introduction d'autres fonctions complexantes. Dans ce contexte, de nombreuses modifications comme l'introduction de fonctions carbamoylphosphinate, amidoxime, N-hydroxyurée et dérivées d'uraciles comme unités complexantes ont été synthétisées pour trouver des nouvelles familles d'inhibiteurs de la DXR. Toutes ces fonctions possèdent des propriétés de chélation intéressantes. En effet, elles ont déjà conduit à de puissants inhibiteurs de différentes métalloenzymes. / The non-mevalonate pathway is highly present in higher plants, protozoa and bacteria but as no equivalent in mammals. That is why shut down isoprenoid biosynthesis and identify a non-mevalonate pathway inhibitor would greatly contribute to the search for safer antibiotics, antimalarials and for our concern herbicides. The unique properties of the 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase (DXR), the central enzyme of this pathway, make it a remarkable and attractive target for drug design. Fosmidomycin acts as an inhibitor of DXR and still remains, along with its N-acetyl homologue FR90098, one of the most potent inhibitor ever known even if extensive work on the development of Fosmidomycin analogue derivatives have been developed since the last decade as demonstrated in the first chapter with the development of a structure activity relationship of all the potential inhibitors of this enzyme already reported in the literature. The X-ray diffraction analysis of the co-crystals of DXR and Fosmidomycin or substrate shows that the phosphonic/phosphate group interacts with a highly specific polar pocket in the enzyme site, allowing only few structural modifications. By contrast, the cation chelating subunit represented by the hydroxamic acid function offers fine tuning possibilities for the complexation abilities as well as potential secondary interactions with the NADPH cofactor or directly with the enzyme. In this context, several modifications such as the introduction of carbamoylphosphinate, amidoxime, N-hydroxyurea and uracil complexing subunits have been made in order to find new families of DXR inhibitors. All of these functions show promising chelation capabilities as they already led to potent inhibitors of different metalloenzymes.

Etude de la relation structure-activité de complexes bio-inspirés de la réductase de l'oxyde nitreux N2O est un puissant gaz à effet de serre et est impliqué dans la destruction de la couche d'ozone, ce qui rend sa dégradation très intéressante. Il s'agit d'un intermédiaire du cycle catalytique de la nitrification bactérienne. En effet, en biologie une métalloenzyme est capable de réduire N2O à deux électrons en N2 et H2O. Le site actif de la réductase de l'oxyde nitreux, le centre CuZ, renferme l'unique association de quatre ions cuivre pontés par un ion sulfure. Afin d'obtenir des complexes capables d'activer N2O et d'approfondir la compréhension du mécanisme catalytique de l'enzyme nous avons élaboré des modèles inspirés du centre CuZ. Il s'agit de complexes dinucléaires de cuivres possédant le motif {Cu2(µ-S)} supposé indispensable à l'activation de N2O. Les complexes à valence mixtes décrits dans ces travaux ont été complétements caractérisés et leur activité vis-à-vis de la réduction de N2O a été évaluée. Ces complexes constituent le premier modèle de ce type capable de réduire N2O. Des études spectroscopiques, électrochimiques et théoriques nous ont également permises de proposer un mécanisme réactionnel, passant par la formation d'un adduit complexe-N2O. Nous avons également pu mettre en évidence le rôle crucial de la molécule d'eau, ligand exogène des complexes, dans ce mécanisme. En parallèle, la stabilité en solution de différentes liaisons disulfures présentes au sein de ligands tétranucléants, en présence de CuII, a été évaluée. La réactivité de la liaison disulfure est dépendante de la fixation des ions cuivre à proximité des atomes de soufres. Trois ligands possédants des substituants aminés différents ont été testés, chacun présentant une réactivité particulière. Nous avons montré pour l'un de ces ligands que l'oxydation de la liaison disulfure pouvait être réalisée en absence d'oxydant fort, l'eau jouant le rôle de nucléophile. / Structure-activity relationships in copper complexes bio-inspired from nitrous oxide reductase N2O is a powerful greenhouse gas and is involved in the ozone layer destruction, which makes it degradation very interesting. N2O is an intermediate of the catalytic cycle of bacterial nitrification. Indeed, in biology a metalloenzyme can reduce N2O with two electrons to N2 and H2O. The active site of nitrous oxide reductase, the CuZ center, contains a unique combination of four copper ions bridged by a sulfide ion. In order to obtain complexes able to activate N2O and deepen the understanding of the catalytic mechanism of the enzyme we have developed models based on the CuZ center. Binuclear copper containing the {Cu2(μ-S)} pattern that is supposed essential to N2O activation have been synthetized. Mixed valent complexes described in this work were fully characterized and their activity toward N2O was evaluated. These complexes are the first model like this capable of N2O reduction. Spectroscopic, electrochemical and theoretical studies have also allowed us to propose a reaction mechanism, which passes through the formation of an adduct complex-N2O. We were also able to highlight the crucial role of the exogenous water molecule in this mechanism. In parallel, the solution stability of different disulfide bonds present in tetranucleating ligands in the presence of CuII was evaluated. The reactivity of the disulfide bond is dependent upon the binding of copper ions near sulfur atoms. Three ligands with different amino groups were tested, each having a specific reactivity. We have shown for one of them that the oxidation of the disulfide bond could be carried out in the absence of strong oxidizer, water acting as the nucleophil

Dans une thématique de plus en plus importante qui est celle du développement durable, il est aujourd’hui nécessaire d’adapter les réactions chimiques aux contraintes écologiques. Le développement de catalyseurs existe depuis le début de la chimie. Cependant, la compréhension des mécanismes mis en jeu lors des réactions chimiques est beaucoup plus récente, et ce, grâce à l’apparition de techniques d’analyse qui permettent de sonder les systèmes à différentes étapes des réactions. De nombreux catalyseurs moléculaires ont été développés, avec de très bons résultats au niveau des nombres de cycles catalytiques et de la sélectivité des réactions. Toutefois, ces catalyseurs sont souvent constitués d’un centre métallique de type iridium, ruthénium, palladium, rhodium ou platine, qui sont des métaux chers non biocompatibles. D’autre part, les oxydations sont des transformations chimiques très importantes. Des conditions de réactions dures, avec des oxydants stœchiométriques, souvent toxiques ou nocifs, sont généralement utilisées. Au contraire, des systèmes biologiques sont capables d’effectuer l’oxydation de molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air, en présence uniquement de protons, d’électrons, dans des conditions physiologiques. Quel grand défi pour les chimistes que d’arriver à développer des systèmes capables de mimer les systèmes biologiques, avec des catalyseurs composés de métaux biocompatibles tels que le cuivre, le manganèse et le fer. Le développement de ces catalyseurs biomimétiques demande une très bonne compréhension des systèmes biologiques, où les première et seconde sphères de coordination sont primordiales pour l'efficacité et la sélectivité des réactions. De nombreux complexes de fer(II) ont été développés comme catalyseurs dans notre équipe lors de thèses précédentes. L’interaction d’oxydants chimiques avec ces complexes a été étudiée, et une partie de mon projet a été de modifier les ligands pour augmenter la stabilité des catalyseurs, permettant l’augmentation de la sélectivité et les rendements de l’oxydation du cyclohexane et de l’anisole. Deux autres projets ont nécessité la fonctionnalisation d’un ligand utilisé communément au laboratoire pour son greffage covalent sur une électrode d’or ou dans une protéine. Afin de contrôler l’apport d’électrons au centre métallique pour réaliser l'activation réductrice du dioxygène, le complexe fonctionnalisé a été greffé sur des électrodes d’or. Le greffage sur électrode d’or a permis de mettre en avant la formation d’une monocouche homogène. Les premiers tests de réactivité de la SAM avec le dioxygène ont été également effectués. D’autre part, dans le but d’améliorer les rendements ainsi que la sélectivité des réactions en catalyse d’oxydation, un autre complexe fonctionnalisé a été greffé covalemment dans une protéine. Le greffage du complexe dans la β-lactoglobuline a permis de développer une nouvelle méthode de dosage du complexe de fer au sein de la protéine. Il a été possible de générer un intermédiaire réactionnel Feᴵᴵᴵ-peroxo, et les premiers tests en catalyse d’oxydation du thioanisole ont montré que la métalloenzyme artificielle permet d’observer une énantiosélectivité intéressante par rapport au complexe en solution. / According to sustainable development it is necessary to adapt chemical reactions to ecologic constraints. Oxidation reactions are useful transformations. Nevertheless, reaction conditions used are frequently harsh, with oxidants used in stoichiometric amount (often harmful or toxic), and lead to products formation with low selectivity. Biological systems such as metalloenzymes, are able to perform small organic molecule oxidation following O₂ activation. These reactions are achieved in physiological conditions, and with a high selectivity. Deciphering the reaction mechanism of these biological catalysts has stimulated the development of synthetic analogues such as non heme iron(II) complexes bearing amine/pyridine ligands. Reaction of these Fe(II) precursors with H₂O₂ or a single oxygen atom leads to formation of Fe(III)-OOH, Fe(III)-(O₂) and Fe(IV)=O, identified as potent oxidizing species in biological systems such as cytochromes P450. In this work, ligands were functionalized to graft iron(II) complexes on gold surface or in the β-lactoglobuline protein in order to use O₂ as oxidant or to improve yields and selectivity, respectively. Complexes grafted on gold surface were characterized by cyclic voltammetry, AFM and XPS. It has been demonstrated that it is possible to exchange exogenous ligands of the iron complex grafted on gold electrode. Preliminar reactivity tests using this grafted complex and O₂ were performed. A new artificial metalloenzyme was synthesized by covalent grafting of a functionalized iron(II) complex on β-lactoglobuline. The system was characterized, and a new method of iron(II) titration in the protein was devised. Using hydrogen peroxide, an Fe(III)-(η²-O₂) intermediate was generated and indentified in the biohybrid system, and catalytic thioanisole oxidation was observed. Interestingly, the sulfoxide product formation was shown to be enantioselective under these conditions.

La D-fructose-1,6-bisphosphate aldolase (FBPA) catalyse la réaction réversible d'aldolisation dans la voie métabolique du glucose, c'est-à-dire l'interconversion du dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et du D-glyceraldéhyde 3-phosphate (G3P) en D-fructose 1,6-bisphosphate (FBP). Les aldolases sont regroupées en deux classes selon le mécanisme réactionnel : la classe I, dont fait partie l'enzyme humaine, catalyse la réaction en passant par la formation d'un intermédiaire covalent (base de Schiff), alors que les aldolases de classe II sont des métalloenzymes - un cation métallique divalent est requis pour son activité catalytique. L'aldolase de classe II, absente des mammifères, se retrouve notamment chez des agents pathogènes, par exemples Mycobacterium tuberculosis (tuberculose), Giardia lamblia (giardiase), Escherichia coli (infections diverses) et Helicobacter pylori (ulcère et cancer gastrique). Cette distribution en fait une cible potentielle dans la découverte de médicaments. La conception d'inhibiteurs spécifiques pour l'aldolase de classe II requiert une fine connaissance de sa catalyse enzymatique et de sa structure tridimensionnelle. Cette connaissance demeure incomplète, alors que l'ensemble des structures de complexes enzyme-inhibiteur ou enzyme-intermédiaire ne supporte pas une partie du mécanisme publié dans la littérature. Nous étudions le rôle catalytique de deux résidus situés chacun sur une boucle de surface mobile de l'aldolase de classe II de H. pylori et impliqués dans des étapes d'échange de proton. Les mutants simples H180Q et E142A ont été caractérisés cinétiquement et cristallisés pour la détermination de structure sur la base de la diffraction aux rayons X. Les structures cristallines des mutants complexés à des intermédiaires réactionnels ont été résolues. La déprotonation du groupe hydroxyle en C4 du FBP initie le clivage de la liaison en C3-C4 du cétohexose, première étape du mécanisme catalytique de rétro-aldolisation. Nos résultats identifient His180, sur la boucle beta6-alpha8, comme responsable de cet échange de proton. Ce résidu est un ligand de l'ion de zinc dans la structure native; le changement conformationnel observé suite à l'amarrage du phosphate en C1 de FBP libère His180 pour permettre le clivage. L'ion de zinc migre par la suite vers le site actif afin de faciliter la liaison du substrat et la stabilisation de l'intermédiaire énediolate. Nos résultats vont à l'encontre de l'hypothèse publiée précédemment sur le rôle catalytique de Asp82 dans cet échange de proton du groupe hydroxyle en C4, le rôle de ce dernier résidu se limitant plutôt au maintien de l'intégrité structurale du site actif. La libération du G3P nouvellement produit est suivie de la protonation stéréospécifique de l'intermédiaire énediolate générant le DHAP. La libération du DHAP complète ainsi le cycle catalytique. La protonation de l'intermédiaire énediolate est effectuée par l'intermédiaire du résidu Glu142, situé sur la boucle beta5-alpha7, ce qui concorde avec des études cinétiques publiées sur d'autres FBPA de classe II. Ces études ont attribué le même rôle à ce résidu conservé entre homologues. Nous avons par la suite établi un protocole de simulation de dynamique moléculaire pour évaluer le repliement de ladite boucle et ainsi comprendre le mode d'action du résidu Glu142. Des détails mécanistiques de l'étape de clivage s'ajoutent à nos connaissances actuelles; des questions subsistent quant à leur implication au reste de la catalyse. En attribuant un rôle crucial à la boucle beta6-alpha8 dans la catalyse et non limité à la liaison de substrats, cette boucle des aldolases de classe II peut devenir une cible dans le développement d'inhibiteurs. De plus, la migration de l'ion de zinc non dépendante de ligand suggère la possibilité de chélater et restreindre l'ion loin du site actif. / Fructose-1,6-bisphosphate aldolase catalyzes the reversible aldol reaction in glucose metabolism interconverting dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and D-glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) into D-fructose 1,6-bisphosphate (FBP). Aldolases are furthermore classified based on their reaction mechanism: class I aldolase (e. g. human aldolase) forms a covalent Schiff base intermediate with substrate, whereas class II aldolase utilizes a divalent metal cation in catalysis. Class II aldolase is commonly found in pathogenic organisms such as Mycobacterium tuberculosis (tuberculosis), Giardia lamblia (giardiasis), Escherichia coli (diverse infections) and Helicobacter pylori (ulcer and gastric cancer) but not in mammals. This distribution makes class II aldolase a potential target for drug discovery. Structure driven drug design depends on an explicit knowledge of the reaction mechanism of class II aldolase and its three-dimensional structure. Our current knowledge is lacking; existing aldolase crystal structures with reaction intermediates and with competitive inhibitors are not coherent with proposed mechanisms in literature. The present study focuses on the catalytic role of two residues, each located on a mobile loop of H. pylori class II aldolase and each implicated in a critical proton transfer step. Single mutants H180Q and E142A were characterized enzymatically and crystallized for X-ray structure determination. Crystal structures of reaction intermediates formed with substrate were determined. The catalytic mechanism requires proton abstraction at the FBP C4 hydroxyl group to initiate C3-C4 bond cleavage, first step of the retroaldol reaction. Our data supports His180 situated on the mobile loop beta6-alpha8, as the residue responsible for this proton transfer. Notably, His180 chelates the zinc ion in the native structure. The structural change induced due to C1 phosphate binding of FBP releases His180 to promote cleavage. Displacement of the catalytic zinc ion ensues, facilitating substrate binding and subsequent stabilization of the enediolate intermediate. Our results do not support the previous hypothesis of a catalytic role for Asp82 in C4 hydroxyl group proton abstraction; it rather plays an important role in maintaining structural integrity for active site binding. Displacement of the nascent aldehyde G3P and concomitant stereospecific protonation of the enediolate species generates the obligate triose phosphate, DHAP. Dissociation of DHAP from the active site completes the catalytic cycle. The residue responsible for initiating enediolate protonation was identified as residue Glu142, situated on mobile loop beta5-alpha7, and this is in agreement with previous kinetic studies of enediolate protonation in other class II aldolases, attributing the same role to this conserved residue. We devised a molecular dynamic simulation method to follow the catalytic loop folding event, further investigating details of the role of Glu142 in catalysis. We gained further knowledge of the cleavage event, although work remains to elucidate missing details of the catalysis and integrate our findings. By attributing a role in catalysis to loop beta6-alpha8 not limited to substrate binding, this loop of class II aldolases becomes a potential target in drug design. In addition, ligand independent zinc ion migration suggest it is possible to chelate the metal and restrain it far from the active site.

La résistance aux antibiotiques est une menace sérieuse pour la santé publique. En effet, si on ne change pas rapidement notre consommation excessive d'antibiotiques, la situation actuelle va se dégrader jusqu'à basculer dans une ère dite "post-antibiotique", dans laquelle plus aucun antibiotique ne sera efficace contre les infections microbiennes. Bien que ce phénomène de résistance apparaît naturellement, l'utilisation abusive d'antibiotiques accélère le processus. De plus, la présence de pathogènes multi-résistants neutralise l'effet des traitements existants et dans le cas de chirurgies courantes (césariennes, transplantations d'organe...), la situation peut rapidement s'aggraver voire devenir mortelle. C'est pourquoi des directives, émanant des autorités sanitaires, doivent être mises en place afin de contrôler l'utilisation des médicaments, et ce, à tous les niveaux de la société, des individus au secteur agricole en passant par les professionnels de santé et les industries pharmaceutiques. Le monde de la recherche scientifique, quant à elle, doit trouver des nouvelles stratégies pour enrayer la propagation de la résistance. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif le développement d'une méthode de prédiction, par calculs d'énergie libre, des mutations de β-lactamases favorables à l'hydrolyse des β-lactames. Ces travaux méthodologiques ont donc conduit au développement : (1) de nouveaux paramètres pour les enzymes à zinc, implémentés dans le champ de force OPLS-AA et validés par des simulations de dynamique moléculaire sur un panel de métalloenzymes représentatives, (2) d'un protocole de paramétrisation de ligands covalents pour étudier le comportement de certains β-lactames dans CMY-136, une nouvelle β-lactamase caractérisée au laboratoire, et (3) d'un protocole de calcul d'énergie libre évalué au moyen de compétitions internationales de prédiction. Ce dernier a ensuite été utilisé pour tenter d'expliquer pourquoi la carbamylation de la sérine catalytique n'a pas lieu dans certaines oxacillinases. Au travers de ces travaux, nous avons pu améliorer significativement notre approche computationnelle et désormais tout est en place pour une exploration exhaustive des mutations possibles dans les β-lactamases. / Antibiotic resistance is a global concern threatening worldwide health. Indeed, if we don't change our overconsumption of antibiotics, the current situation could worsen until a "post-antibiotic" era in which existing treatment would be ineffective against microbial infections. Despite the natural occurrence of antibiotic resistance, the misuse of antibiotics is speeding up the process. Furthermore, presence of multi-resistant pathogens negates the effect of modern treatments and usual surgeries (caesarean sections, organ transplantations...) might be riskier in the future, or even lethal. That's why, common guidelines have to be edicted by health authorities in order to control antibiotic use at every level of society, from individuals to healthcare industry including health professionals and agriculture sector. As for scientific research, new strategies have to be considered in order to limit the spread of antibiotic resistance. In that context, the presented thesis aimed at developing a protocol to predict, by free energy calculations, β-lactamase mutations which could promote the hydolysis of β-lactams antibiotics. In order to achieve that, we developed several methodological approaches including: (1) new parameters for zinc enzymes implemented in OPLS-AA force field and thereafter validated using molecular dynamics simulations of representative zinc-containing metalloenzymes, (2) a protocol to parameterize covalent ligands in order to analyze the dynamical behavior of some β-lactams in CMY-136, a novel β-lactamase recently characterized in our laboratory, and (3) a pmx-based free energy protocol. The latter was also assessed through several international blinded prediction challenges, and finally used to find out why carbamylation of the catalytic serine is not observed in certain OXA enzymes. Throughout this work, we made significant improvements in our protocol, and now everything is in place for an exhaustive prediction of possible mutations in β-lactamases.