Caractérisation structure-fonction et ingénierie d'enzymes impliquées dans la dégradation de la paroi végétale

La valorisation de la biomasse lignocellulosique est d'une importance primordiale pour le développement d’une bioéconomie circulaire. Ceci est dû au fait que les polysaccharides qui la composent, sont de loin les molécules organiques les plus abondantes trouvées dans la nature. Malgré sa complexité, son hétérogénéité, et sa rigidité, la paroi végétale est une source nutritive primaire et indispensable pour un très grand nombre d’êtres vivants. La saccharification est l’étape clé pour son utilisation, elle consiste à dégrader cette paroi en glucides fermentescibles. De nombreux microorganismes ont développé des stratégies et des enzymes pour dégrader la paroi végétale. Chez les Bacteroides, les gènes codant ces enzymes sont organisés en clusters génomiques appelés Polysaccharide Utilization Loci (PUL). Ces PULs orchestrent la déconstruction des polysaccharides grâce à la production contrôlée d’enzymes, travaillant en synergie afin d’en optimiser l’hydrolyse. En 2014, un PUL dédié à la dégradation de l'arabinoxylan a été découvert par l’équipe d’accueil dans le microbiote intestinal du termite Pseudocanthotermes militaris. Une xylanase et la xylosidase du PUL ont servi de modèle d’étude pour questionner la synergie enzymatique au niveau moléculaire.La thèse a porté dans un premier temps sur la caractérisation de deux enzymes du PUL, la xylosidase Pm21(GH43) et la xylanase Pm12(GH10). Concernant la xylosidase, les analyses biochimiques ont montré l'importance des ions divalents pour une activité enzymatique optimale, notamment les ions Mg2+. Cette caractéristique distingue Pm21(GH43) des autres enzymes homologues connues jusqu'à présent, où l'ion Ca2+ joue le rôle d’activateur. La structure cristallographique de Pm21(GH43) a révélé une architecture atypique du site de fixation des métaux, permettant la coordination de deux ions divalents simultanément. Nos résultats computationnels ont démontré l’importance des deux ions Mg2+ pour la structuration d’une forme productive du site catalytique de l’enzyme. D'autre part, la structure cristallographique de la xylanase Pm12(GH10) a été résolue et a permis la caractérisation des différents sous-sites de fixation du substrat, ainsi que la présence d'une boucle flexible près du site actif (boucle 7). Des expériences de dynamique moléculaire ont montré l’implication de cette boucle non-conservée dans les changements conformationnels du site actif de cette xylanase.Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons cherché à identifier les déterminants moléculaires modifiant la synergie entre les GH10 et les GH43. Pour atteindre cet objectif, Pm12(GH10) et Pm21(GH43) ont été fusionnées et co-ingéniérées dans le but d’améliorer leur synergie pendant la déconstruction de la biomasse lignocellulosique. Un protocole d’évolution dirigée visant la co-ingénierie de ces deux enzymes a été développé et a permis d’identifier 78 variants sur les 24000 criblés. Les 78 clones sélectionnés ont ensuite été finement caractérisés à faible débit. Parmi eux, 6 mutants ont montré des activités catalytiques améliorées sur arabinoxylane du blé qui néanmoins ne résultaient pas d’une amélioration de la synergie. La caractérisation des mutations, majoritairement positionnées autour de la boucle 7, a révélé une augmentation des constantes catalytiques (kcat) qui peut être expliquée par des modulations de la dynamique de la boucle 7 et une restructuration du site actif.Bien que la co-ingenierie n’ait pas répondu à notre question initiale concernant la synergie, l'approche expérimentale et les étapes d’optimisation effectuées au cours de ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la catalyse de chacune des enzymes. Par ailleurs, l'approche élaborée durant cette thèse pourrait être le point de départ pour d’autres stratégies de co-ingénierie enzymatiques. Dans l’ensemble, cette étude a permis une meilleure compréhension des relations structure-activité des glycosyl-hydrolases des familles GH10 et GH43.