Le cytochrome p450 CYP102A1, mieux connu sous le nom de BM3, provient de la bactérie Bacillus megaterium. Cette enzyme possède un groupement prosthétique hémique lui permettant de catalyser l’insertion d’oxygène dans un lien carbone-hydrogène menant généralement à une hydroxylation du substrat, ce qui en fait une monooxygénase. Ce genre de réaction demeure jusqu’à aujourd’hui difficile à effectuer par chimie traditionnelle ce qui confère un intérêt particulier à cette enzyme. Au contraire des autres cytochromes p450, BM3 est soluble (et non membranaire) et est naturellement fusionnée à son partenaire réductase formant ainsi une seule chaîne polypeptidique. Ainsi, au cours des dernières années, BM3 a attiré beaucoup d’attention de la part de l’industrie de la chimie fine et pharmaceutique due à son potentiel biocatalytique important. Cependant, son usage en industrie est restreint par son instabilité ainsi que par le coût prohibitif du cofacteur qui lui est nécessaire pour catalyser ses réactions, le NADPH. Cette thèse décrit le développement de différentes stratégies visant à libérer les réactions effectuées avec BM3 de leur dépendance au NADPH, tout en maximisant le rendement spécifique de la monooxygénase. En place du NADPH, deux autres cofacteurs de moindre coût furent utilisés comme alternative, soit le NADH et le N-benzyle-1,4- dihydronicotinamide (NBAH) en utilisant le mutant R966D/W1046S de BM3. Afin de maximiser le rendement spécifique de BM3, l’une des stratégies de cette thèse, l’optimisation du milieu réactionnel, repose sur deux éléments clés, soit favoriser la stabilité du cofacteur, car celui-ci est plus instable que l’enzyme elle-même, ainsi que d’abaisser au minimum la température de la réaction, car nous avons constaté que ceci avait pour effet d’augmenter le couplage entre les réactions réductase et monooxygénase et donc la stabilité de l’enzyme. L’effet net de la réaction ainsi optimisée fut d’augmenter le rendement spécifique du mutant R966D/W1046S par un facteur situé entre 2 et 2.6 en fonction du cofacteur utilisé. D’autre part, deux stratégies d’ingénierie enzymatique furent explorées afin de générer des mutations pouvant augmenter la performance de BM3. L’une d’entre elles, la mutagenèse par consensus guidé, généra une librairie de mutants de laquelle les mutants NTD5 et NTD6 furent identifiés, augmentant le rendement spécifique de l’enzyme comparativement à leur parent, R966D/W1046S, par un facteur de 5.2 et 2.3 pour le NBAH et le NADH, respectivement. L’autre stratégie explorée fut d’appliquer une pression sélective sur la bactérie Bacillus megaterium pour forcer, par évolution expérimentale, la performance de l’enzyme. De cette stratégie, un nouveau mutant de BM3 nommé DE, possédant 34 acides aminés substitués sur sa séquence, fut généré. Ce dernier a démontré une plus forte résistance aux solvants organiques ainsi qu’une augmentation de son rendement spécifique vis-à-vis le NADPH et le NADH d’un facteur de 1.23 et 1.76, comparativement à BM3 sauvage, respectivement. Les stratégies décrites dans cette thèse présentent une amélioration significative du rendement spécifique de BM3 ainsi que deux iii nouvelles méthodologies avec lesquelles une enzyme peut être optimisée et de nouvelles mutations bénéfiques identifiées. / The p450 cytochrome CYP102A1, better known as BM3, comes from the bacteria Bacillus megaterium. This enzyme possesses a prosthetic heme group enabling it to catalyze the insertion of oxygen into a carbon-hydrogen bond generally resulting in the hydroxylation of the substrate, the enzyme is therefore a monooxygenase. This type of reaction remains difficult to achieve by traditional chemistry. Unlike other p450 cytochromes, BM3 is soluble (is not membrane bound) and is naturally fused to its reductase partner forming a single polypeptide chain. As such, in recent years, BM3 has garnered much attention from the pharmaceutical and fine chemical industries, due to its high biocatalytic potential. However, its use in industry remains constrained by its instability as well as by the prohibitive cost of its cofactor, NADPH. This thesis describes the development of different strategies aiming at liberating reactions driven with BM3 from their dependence to NADPH whilst maximizing the specific yield of the monooxygenase. Instead of NADPH, two other inexpensive cofactors were used, namely NADH and N-benzyl-1,4-dihydronicotinamide (NBAH) by using the BM3 mutant R966D/W1046S. To maximize BM3 specific yield, one of the strategies used in this thesis work, the optimization of the reaction medium, rested on two key elements. Firstly, favouring the stabilization of the cofactor, as it was found to be more unstable than the enzyme itself and secondly lowering the reaction temperature as this effectively augmented oxidase/reductase reactions coupling and as such the stability of the enzyme. The net effect of the optimized reaction was to enhance the specific yield of the BM3 mutant R966D/W1046S by a factor of 2 and 2,6 depending on which cofactor was used. Two other enzymatic engineering strategies were explored to generate mutations which could enhance the performance of BM3. One of these, consensus guided mutagenesis, generated a library of mutants from which mutants NTD5 and NTD6 were identified enhancing the specific yield of the enzyme comparatively to their parent, R966D/W1046S, by a factor of 5,24 and 2,3 for NBAH and NADH respectively. The other strategy explored was to apply a selective pressure on Bacillus megaterium to force, by experimental evolution, the performance of the enzyme. From this strategy, a new mutant of BM3 called DE, possessing 34 new amino acid substitutions, was generated. This new mutant displayed a greater resistance to organic solvents as well as an augmentation of specific yields when used alongside NADPH and NADH comparatively to wild type BM3 by a factor of 1,23 and 1,76 respectively. The strategies described in this thesis allowed a significative enhancement of BM3 specific yield as well as represent two new methodologies by which new beneficial mutations can be identified.

L'oxydation de Baeyer-Villiger (BV) par voie enzymatique est une méthode efficace pour obtenir de lactones sous forme énantiomériquement pure. Les Baeyer-Villiger Monooxygénases (BVMO) sont ainsi capables d'oxyder de nombreux substrats avec une stéréospécificité remarquable.Nous avons recherché de nouvelles enzymes dans le génome de deux souches appartenant au genre Acinetobacter, A. baylyi ADP1 et A. baumannii AYE. Six gènes ont été clonés dans E. coli. Leur profil de substrat a été étudié en utilisant des cellules entières de ce microorganisme recombinant comme biocatalyseur. Quatre enzymes ont montré une spécificité de substrat similaire, avec une préférence pour les petites cétones cycliques et pour les substituants aryliques. Une de ces enzymes a permis le Dédoublement Cinétique Parallèle Régiodivergent d'une bicyclohepténone et la désymétrisation de cyclobutanones benzyliques avec, dans chaque cas, une énantiosélectivité intéressante car conduisant à des énantiomères rarement obtenus par réaction de BV enzymatique.Dans une seconde partie, des Dédoublements Cinétiques Dynamiques, associant réaction de BV enzymatique et racémisation in situ ont été réalisés avec des cellules entières d'E. coli produisant la Cyclohexanone Monooxygenase (CHMO) issue d'A. calcoaceticus. La racémisation de cyclohexanones α-substituées, habituellement difficilement racémisables, a été assurée par l'emploi de solutions tampons à base de sels de phosphate ou de glycine. Les -caprolactones correspondantes ont été isolées sous forme d'esters méthyliques hydroxylés quasi énantiopurs avec des rendements compris entre 70 et 80%. / Enzyme-mediated Baeyer-Villiger oxidation is nowadays largely recognized as an efficient method to obtain highly optically active lactones. An increasing number of Baeyer-Villiger Monooxygenases from various sources has been found to oxidize a large range of substrates with a good to excellent stereospecificity.Firstly, in order to enlarge the scope of these biotransformations, the genome of two strains of the Acinetobacter genus, A.baylyi ADP1 and A.baumannii AYE was explored. Six genes were expressed in E. coli and the substrate profile of each enzyme was studied using whole cell biotransformations. Four enzymes showed close substrate specificity with a preference for small cyclic ketones and for arylic substituents. Interestingly, one enzyme led to a Kinetic Parallel Regiodivergent Resolution of a bicycloheptenone and desymmetrisation of benzylic cyclobutanones in an enantiocomplementary manner when compared to the most of already known enzymes.The second part of this work describes the implementation of Dynamic Kinetic Resolution processes combining enzymatic BV oxidation and in situ racemization of α-substituted cyclohexanones to afford corresponding lactones in more than 50% yield. Cyclohexanone Monooxygenase (CHMO) from another Acinetobacter strain, A. calcoaceticus, was selected and the reactions were carried out with whole cells of producing CHMO E. coli strain. The racemization of α-substituted cyclohexanones, usually slowly racemized under basic conditions, was ensured by the use of containing phosphate salts or glycine buffer solutions. Several corresponding -caprolactones were isolated after methylation as enantiopure hydroxy methyl esters in 70-80% yield.

L'objectif est de produire un antioxydant puissant, l'acide 3,4-dihydroxyphénylacétique (3,4-DHPA) à partir de la L-tyrosine chez l'archée hyperthermophile et acidophile, Sulfolobus solfataricus 98/2. Les microorganismes extrêmophiles possèdent des enzymes particulièrement résistantes et intéressantes pour l'industrie.Des cultures ont donc été réalisées en fermenteur contrôlé dans 4 conditions : (i) en présence de glucose avec ou sans L-tyrosine, (ii) en présence de phénol avec ou sans L-tyrosine. Il a été montré que le 3,4-DHPA est synthétisé seulement en présence de phénol et de L-tyrosine. Les gènes codant pour les enzymes impliquées dans cette voie métabolique et potentiellement responsables de la synthèse du 3,4-DHPA ont été identifiés par homologie de séquence chez cette archée.Des études transcriptomiques et protéomiques ont donc été initiées pour confirmer ces hypothèses et tenter de caractériser les enzymes impliquées dans ces voies métaboliques. Plusieurs toluène-4-monooxygénases (T4MO) et une catéchol 2,3-dioxygénase, impliquées dans le métabolisme du phénol et potentiellement dans la voie de dégradation de la L-tyrosine ont été identifiées. Leur production est soumise à une régulation transcriptionnelle dépendant de la présence de phénol. L'analyse des régions génomiques correspondantes a permis de mettre en évidence une région consensus qui pourrait être impliquée dans la fixation d'un facteur de transcription lors de la régulation par le phénol. Ces différentes études ont permis, de déterminer d'une part dans quelles conditions le 3,4-DHPA est synthétisé, d'autre part d'identifier les enzymes qui interviendraient dans le métabolisme de la L–tyrosine. / The aim is to produce a powerful antioxidant, 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (3,4-DHPA) from L-tyrosine in the hyperthermophilic and acidophilus archaea, Sulfolobus solfataricus 98/2. Extremophiles microorganisms have resistant enzymes and interesting for industry. Cultures have been carried out in controlled bioreactor four conditions: (i) in the presence of glucose with or without L-tyrosine, (ii) in the presence of phenol with or without L-tyrosine. It has been shown that 3,4-DHPA is synthesized only in the presence of phenol and L-tyrosine. The genes encoding enzymes involved in the metabolic and potentially responsible for the synthesis of 3,4-DHPA pathway have been identified by sequence homology in S. solfataricus.Des transcriptomic and proteomic studies have therefore been initiated to confirm these hypothesis and attempt to characterize the enzymes involved in these pathways. Several toluene-4-monooxygenase (T4MO) and catechol 2,3-dioxygenase involved in the metabolism of phenol and potentially in the degradation pathway of L-tyrosine were identified. Their production is subjected to a dependent transcriptional regulation of the presence of phenol. The analysis of the corresponding genomic regions has highlighted a consensus region that could be involved in the binding of a transcription factor in the regulation of phenol. These studies helped to determine the one hand the conditions under which 3,4-DHPA is synthesized, secondly to identify enzymes that intervene in the metabolism of L-tyrosine.

Ce manuscrit présente une étude fonctionnelle et structurale du cytochrome P450 2J2 humain (CYP2J2), enzyme exprimée dans les tissus cardiovasculaires, dont les rôles biologiques sont mal connus. En utilisant la terfénadone comme base structurale, qui est un composé oxydé régiosélectivement par le CYP2J2, plusieurs composés ont été synthétisés se sont révélés être des inhibiteurs affins et sélectifs du CYP2J2. En particulier, un inhibiteur très affin et compétitif (Ki = 160 nM) et deux substrats suicides efficaces du CYP2J2 (kinact/Ki 3000 L/mol/s) ont été mis en évidence. L'étude de l'oxydation de ces composés par le CYP2J2 a révélé une régiosélectivité surprenante, en faveur d'une position chimiquement moins réactive vis-à-vis des oxydations. La caractérisation du site actif du CYP2J2 et l'identification de résidus importants pour la reconnaissance des dérivés de terfénadone a pu être réalisée en construisant un modèle par homologie 3D de cette enzyme et par le docking de certains dérivés dans le site actif du CYP2J2. Enfin, une étude préliminaire des rôles biologiques possibles du CYP2J2 a été réalisée en étudiant les effets inhibiteur de ce P450. En conclusion, ce travail a permis de caractériser les premiers outils biochimiques d'étude des rôles biologiques du CYP2J2, de proposer une première topologie du site actif du CYP2J2, et d'affiner les rôles biologiques du CYP2J2.