Ergothioneine, a histidine-derived thiol, protects cells against reactive oxygen species and is emerging as a longevity vitamin. Ovothiol, another histidine-derived thiol, is also a potent antioxidant with therapeutic potential due to its anti-inflammatory and anti-proliferative activities. Despite these promising health benefits, the production of ergothioneine is limited by the underlying challenges of its only industrial synthetic method, while ovothiol is not commercially available. Due to these issues, the production of these thiols through metabolic engineering/synthetic biology approaches is appealing. The central steps in the ergothioneine and ovothiol biosynthetic pathways are the oxidative coupling C-S bond formation reaction mediated by non-heme iron sulfoxide synthases, and the pyridoxal-5'-phosphate (PLP)-dependent C-S lyases. This sulfur transfer strategy differs from all other pathways reported. Therefore, these trans-sulfuration reactions in ergothioneine and ovothiol biosyntheses are significant from both basic and translational research perspectives, hence, they were selected as my thesis project. This thesis comprises of five chapters. Sulfur metabolism and the biosynthesis of sulfur-containing natural products are presented in Chapter 1. The computational-guided protein engineering of a thermophilic sulfoxide synthase (EgtB) from Chloracidobacterium thermophiluim is covered in Chapter 2. Chapter 3 describes the mechanistic studies of the reductive C-S lyase (Egt2 from the Neurospora crassa’s ergothioneine biosynthesis), which revealed the involvement of a sulfenic acid intermediate in this reaction. In addition to reconstituting the ergothioneine biosynthetic pathway in vitro presented in Chapter 3, I fully reconstituted the in vitro ovothiol A biosynthetic pathway from Erwinia tasmaniensis, which is described in Chapter 4. In Chapter 5, the mechanistic studies of the ovothiol sulfoxide synthase OvoA using unnatural amino acid incorporation via amber-codon suppression are discussed. The success of this thesis work paves the way for the industrial production of ergothioneine and ovothiol through metabolic engineering/synthetic biology approaches. This study has also laid the foundation for future in-depth mechanistic characterization of these novel enzymes.

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats. / The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced.

Biological nitrogen fixation is accomplished in the bacterium Azotobacter vinelandii by means of three metalloenzymes: The molybdenum, vanadium, and iron-only nitrogenase. The knowledge regarding biological nitrogen fixation has come from studies on the Mo-dependent reaction. However, the V- and Fe-only-dependent reduction of nitrogen remains largely unknown. By using homology modeling techniques, the protein folds that contain the metal cluster active sites for the V- and Fe-only nitrogenases were constructed. The models uncovered similarities and differences existing among the nitrogenases regarding the identity of the amino acid residues lining pivotal structural features for the correct functioning of the proteins. These differences, could account for the differences in catalytic properties depicted by these enzymes. The quaternary structure of the dinitrogenases also differs. Such component in the Mo-nitrogenase is an α2β2 tetramer while for the V- an Fe-only nitrogenase is an α2β2δ2 hexamer. The latter enzymes are unable to reduce N2 in the absence of a functional δ subunit, yet they reduce H+ and the non-physiological substrate C2H2. Therefore, the δ subunit is essential for V- and Fe-only dependent nitrogen fixation by a mechanism that still remains unknown. In attempt to understand why the δ subunit is essential for V-dependent N2 reduction from a structural stand point, this work presents the strategy followed to clone the vnfG gene and purify its expression product, the δ subunit. The purified protein was subjected to crystallization trials and used to stabilize a histidine-tagged VFe protein that would otherwise purify with low Fe2+ content and poor H+ and C2H2 reduction activities. The VFe preparation was used to conduct substrate reduction assays to assess: i) The electron allocation patterns to each of the reduction products of the substrates C2H2, N2, N2H4, and N3−; and ii) Inhibition patterns among substrate and inhibitor of the nitrogenase reaction. This work also reports on the effect N2H4 and N3− has on the electron flux to the products of the C2H2 reduction. The work presented herein provides information with which to compare and contrast biological nitrogen fixation as catalyzed by the Mo- and V-nitrogenases from Azotobacter vinelandii.

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.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15396号 / 工博第3275号 / 新制||工||1493(附属図書館) / 27874 / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 榊 茂好, 教授 白川 昌宏, 教授 北川 進 / 学位規則第4条第1項該当

Les nouveaux aspects économiques et écologiques de la chimie moderne (à savoir la gestion des déchets, l’économie d’atome) font de la réduction de liaisons polarisées C=X (X = O, N) catalysée par des complexes organométalliques, une réaction importante en chimie organique. De plus, ces complexes permettent le contrôle de la stéréo-, régio- et chimiosélectivité de ces réactions. Les complexes de fer tricarbonyle à ligand cyclopentadiènone ont montré ces dernières années une excellente réactivité pour les hydrogénations de liaisons C=O et C=N. Grâce à de précédents travaux réalisés au laboratoire, nous avons envisagé l’approche de ces réductions polarisées via l’utilisation de métalloenzymes artificielles incorporant un complexe de fer cyclopentadiènone. Parallèlement à cette étude, une optimisation des performances catalytiques de complexes de fer a été réalisée et a permis de développer l’alkylation de cétones par les alcools, la méthylation d’amines par le méthanol et la réduction de liaisons C=C pour les cétones ,-insaturées. Enfin, grâce à un nouveau complexe aminocyclopentadiènyle de fer, les réactions d’amination réductrice étudiées précédemment au laboratoire ont pu être améliorées. / Environmental and economic concerns within modern chemistry (waste management, atom economy), lead metal-catalyzed reduction of polarized C=X bonds (X= O, N) with organometallic complexes an important reaction in organic chemistry. Additionally, stereo-, regio- and chemoselective reductions can be involved in organometallic catalysis. In the past decade, cyclopentadienone iron tricarbonyl complexes were reported as efficient for the hydrogenation of C=O and C=N bonds. According to previous investigations in the group, we developed a new approach within artificial metalloenzyme involving iron complexes for the hydrogenation of polarized bonds. Simultaneously, we described new reactivities of the complex prepared in the group for ketone alkylation and amine methylation through auto-hydrogen borrowing process, and chemoselctive C=C bonds of enones. We developed as well a new aminocyclopentadienyl iron complex for the enhancement of reductive amination previously described.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第18339号 / 農博第2064号 / 新制||農||1023(附属図書館) / 学位論文||H26||N4846(農学部図書室) / 31197 / 京都大学大学院農学研究科応用生物科学専攻 / (主査)教授 左子 芳彦, 教授 澤山 茂樹, 教授 菅原 達也 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

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L’obtention, dans des conditions douces, sélectives et de chimie durable de molécules ciblées est aujourd’hui un enjeu majeur. Les métalloenzymesartificielles représentent une voie d’investigation importante, car en jouant, par exemple, sur la seconde sphère de coordination,il est possible de modifier fortement la réactivité de ces systèmes bio-inspirés. Le développement de cette chimie suppose une connaissanceapprofondie des différentes étapes du mécanisme de la réaction envisagée. Pour cela, la chimie théorique est essentielle à la rationalisation dela réactivité chimique mais elle souffre encore de nombreuses insuffisances pour les systèmes que nous nous proposons d’étudier.Dans ce travail, nous avons choisi d’étudier la superoxyde réductase, enzyme détoxifiante du radical superoxyde. Si de nombreuses expérimentalessont disponibles détaillant certains intermédiaires, le mécanisme précis est peu documenté. Le but a été de mettre en place uneméthodologie complète allant du développement de paramètres MM spécifiques à l’étude de la réactivité par métadynamiques QM/MM.Le développement de paramètres MM pour le site actif à fer a permis son étude en dynamique MM donnant des informations sur la conformationsdu squelette peptidique ainsi que l’interaction avec les molécules de solvant. De part la nature du fer, une description QM du site actifà été nécessaire via l’utilisation de DFT hybride. Les métadynamiques QM/MM ont permis quant à elles d’explorer les chemins réactionnelset de caractériser les espèces ainsi formées et les énergies d’activations.Cette méthodologie a permis la compréhension en premier lieu de la réactivité native de la forme sauvage et elle a aussi permis d’explorer lesréactivités nouvelles des mutations de la SOR permettant ainsi de définir le rôle crucial de la seconde sphère de coordination. / Obtaining targeted molecules under gentle, selective and sustainable conditions is still a major challenge. Artificial metalloenzymes are animportant line of enquiry, because by playing, for example, with the second sphere of coordination, it is possible to strongly modify thereactivity of these bio-inspired systems. The development of this chemistry presupposes a thorough knowledge of the different stages of themechanism of the reaction under study. For this reason, theoretical chemistry is essential to rationalize chemical reactivity, but it still suffersfrom many shortcomings for the systems we propose to study.In this work, we study the superoxide reductase, a detoxifying enzyme of the superoxide radical. While many experiments are available detailingsome intermediates, the precise mechanism is not well documented. The aim was to implement a complete methodology ranging from thedevelopment of specific MM parameters to the study of reactivity by QM/MM metadynamics.The development of MM parameters for the iron active site allowed its study by MM dynamics giving informations on the conformation ofthe peptide backbone as well as on the interaction with solvent molecules. Due to the nature of the iron, a QM description of the active sitewas required using hybrid DFT. QM/MM metadynamics have allowed us to explore reaction pathways and to characterize the compoundsformed to obtain the needed activation energies. This methodology made it possible to understand the native reactivity of the wild form ofthe SOR, but also to explore the new reactivity of the mutations of the SOR and thus to define the crucial role of the second coordination sphere.