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Première visualisation d’une réaction enzymatique radicalaire, pourquoi, comment ?

Certaines enzymes catalysent des réactions impossibles en chimie classique, nécessitant la formation de radicaux hautement réactifs et  instables. Une de ces réactions a été décrite en détail, avec des retombées pour la synthèse de composés à forts enjeux, médicaments, antibiotiques…ou hydrogène.

Fusée. © Fotolia
Par Pascale Mollier
Publié le 13/04/2016

Les chercheurs ont décrit pour la première fois le mécanisme de formation d’une liaison carbone-soufre de façon très détaillée, à l’échelle des échanges d’électrons entre atomes.

Pourquoi s’intéresser à cette réaction ?

Cette liaison carbone-soufre est très difficile à former, car les atomes de carbone engagés dans d’autres liaisons ne sont pas réactifs. Pourtant, les composés soufrés ont un rôle très important dans la chimie cellulaire. On pense en particulier qu’un cofacteur soufré est indispensable à la maturation des hydrogénases, des enzymes dont l’étude sous-tend de forts enjeux. En effet, ces enzymes, présentes chez les microorganismes,  produisent de l’hydrogène (1), une forme d’énergie chimique « propre » prometteuse pour l’avenir.

La liaison carbone-soufre joue aussi un rôle clé dans la synthèse de nombreuses molécules naturelles dont certains antibiotiques.

Cette liaison, indispensable mais véritable défi pour la chimie classique, peut être réalisée au sein d’enzymes particulières appelées « SAM » (2), mises en évidence au début des années 2000.

Les enzymes de l’impossible

Ce que ne peut pas faire la chimie classique, les enzymes de type SAM sont capables de le faire via la chimie radicalaire. Cette chimie est basée sur la formation de radicaux, en l’occurrence des atomes de carbone hautement réactifs car ils possèdent un électron non apparié. Ces composés sont capables de réagir avec de nombreuses molécules et peuvent de ce fait avoir des effets délétères dans les cellules. Les enzymes de type SAM sont capables de maîtriser cette chimie dite « radicalaire » puissante mais explosive. Dans les organismes vivants, ces enzymes peuvent catalyser plus de 70 réactions différentes : synthèse de cofacteurs activateurs d’enzymes (hydrogénases par exemple), mais aussi  synthèse de composés cycliques tels que des vitamines ou des antibiotiques.

La réaction radicalaire étape par étape

Réaction radicalaire étape 1 : formation d'une liaison carbone-soufre.
Etat initial : enzyme SAM (en haut) et substrat (en bas, entouré de son nuage électronique, en vert).
SAM : enzymes à radical S-adenosyl-L-méthionine.. © IBS, Yvain Nicolet-IBS
© IBS, Yvain Nicolet-IBS
Réaction radicalaire étape 2 : formation d'une liaison carbone-soufre.
Mesure du déplacement des atomes au cours de la réaction.
SAM : enzymes à radical S-adenosyl-L-méthionine.. © IBS, Yvain Nicolet
© IBS, Yvain Nicolet
Réaction radicalaire étape 3 : formation d'une liaison carbone-soufre.
Etat final : produit ayant intégré une partie du cofacteur de l’enzyme SAM.
SAM : enzymes à radical S-adenosyl-L-méthionine.. © IBS, Yvain Nicolet
© IBS, Yvain Nicolet
Etat initial : enzyme SAM (en haut) et substrat (en bas,
entouré de son nuage électronique, en vert)
Mesure du déplacement des atomes au cours de la réaction. Etat final : produit ayant intégré une partie du cofacteur
de l’enzyme SAM.

Les chercheurs ont cristallisé une enzyme SAM particulière (SAM HydE), impliqué dans l’activation d’une importante famille d’hydrogénases. Ils ont « designé » le premier substrat fonctionnel à base de soufre de cette enzyme, capable non seulement de se fixer dans le cristal mais aussi de déclencher la formation d’une liaison carbone-soufre dans le cristal et aussi en solution. Ils ont suivi cette réaction étapes par étapes au sein du cristal dans le site actif complexe de l’enzyme.

Ces résultats éclairent le fonctionnement d’un type d’enzyme SAM et son rôle dans le mécanisme d’activation des hydrogénases, encore mal connu. Ils répondent à deux grands enjeux : d’une part, des stratégies de synthèse organique plus performantes, d’autre part, l’utilisation, dans le futur, de ces enzymes comme outils biotechnologiques.

 

(1) L’hydrogène peut être converti en électricité, en chaleur ou en force motrice et a ainsi de nombreuses applications possibles : stockage d’énergie dans les bâtiments, réservoir d’hydrogène associé à une pile combustible pour améliorer l’autonomie de véhicules électriques, composant chimique très employé dans l’industrie. L’hydrogène est déjà largement utilisé dans le domaine de l’aérospatial comme combustible pour la propulsion des fusées.

(2) SAM : enzymes à radical S-adenosyl-L-méthionine.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Olivier Berteau UMR1319 MICALIS MICrobiologie de l'ALImentation au Service de la Santé Humaine
Département(s) associé(s) :
Microbiologie et chaîne alimentaire, Alimentation humaine
Centre(s) associé(s) :
Jouy-en-Josas

Référence

Roman Rohac et al. 2016. Carbon-sulfur bond-forming reaction catalysed by the radical SAM enzyme HydE. Nature Chemistry DOI : 10.1038/nchem.2490

Collaboration Institut de biologie structurale (CEA-CNRS-UGA), Institut Micalis (Inra-Agroparitech-Upsay), Institut nanosciences et cryogénie (CEA-UGA).

Comment visualiser une réaction chimique ?

Bien sûr, on ne peut pas (encore ?) voir physiquement des atomes et des électrons. En effet, les techniques de microscopie les plus puissantes s’arrêtent à l’échelle de grosses molécules, ce qui est déjà un progrès extraordinaire, que l’on croyait  théoriquement impossible au 19è siècle (1).

Pour étudier la formation de la liaison carbone-soufre, les chercheurs ont déclenché la réaction directement dans un cristal de l’enzyme.  Ils ont figé des images obtenues en cristallographie par rayons X à différents stades. Ces données, complétées par une étude par résonance magnétique nucléaire, par des mesures d’activité en solution et par des calculs théoriques, ont permis de de reconstituer le déroulement de la réaction à l’échelle des électrons.

(1) Distinguer des protéines en microscopie avec une résolution de 40 nm, c’est ce que permettent  ces techniques avancées, qui ont  valu le prix Nobel de Chimie 2014 à ses inventeurs. Lire l’article.