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109 | 2010
Annuaire du Collège de France 2008-2009
Résumé des cours et travaux 109e année
I. Sciences mathématiques, physiques et naturelles

Chimie des processus biologiques

Marc Fontecave
p. 169-192

Plan

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Texte intégral

La chimie du vivant : enzymes et métalloenzymes, des biocatalyseurs fascinants

1La catalyse enzymatique, ce pouvoir que possèdent certaines protéines d’accélérer de façon extraordinaire et d’orienter avec une précision fascinante les réactions chimiques de la cellule, reste, encore aujourd’hui, l’un des grands mystères des systèmes vivants. Les réactions dont il est question vont de la simple hydrolyse de liaisons peptidiques à des processus poly-électroniques d’une très grande complexité, comme par exemple la réduction de l’oxygène en eau catalysée par la cytochrome oxydase, une enzyme clé de la respiration, ou encore l’oxydation de l’eau en oxygène que permet l’appareil photosynthétique des plantes. Il s’agit aussi des réactions de transferts d’électrons à longue distance (plusieurs dizaines d’angströms) qui jouent des rôles déterminants dans de nombreux processus cellulaires.

2Quelle est l’origine de ce phénomène ? La réponse à cette question n’est pas simple et a alimenté, au cours des 50 dernières années, recherches et controverses. L’approche réductionniste du chimiste qui s’appuie sur des systèmes biomimétiques et bio-inspirés participe, de façon originale, à cette quête. Il apparaît cependant que l’une des clés de ce mystère réside dans l’utilisation répétée, par les organismes vivants, d’ions métalliques conférant aux protéines des propriétés uniques. La vie n’est donc pas seulement organique mais aussi « minérale », la chimie biologique pas seulement bio-organique mais aussi bio-inorganique. Ces métaux ont joué un rôle déterminant il y a près de 3,5 milliards d’années dans l’émergence de la vie et, un peu plus tard, dans l’apparition et l’utilisation de l’oxygène moléculaire.

3Le but de ce cours était d’introduire un certain nombre de concepts concernant la catalyse enzymatique, les propriétés chimiques des ions métalliques et l’activation de petites molécules, dans le cas présent l’oxygène et l’eau, par des systèmes multiélectroniques naturels complexes.

1. L’âme des enzymes : le mystère de la biocatalyse

4Les protéines sont des objets moléculaires doués de propriétés exceptionnelles. Leur organisation structurale et leur contenu en acides aminés, qui modulent leurs propriétés stéréoélectroniques et leur dynamique, leur permette de contrôler l’entrée et la sortie de petites molécules et la complémentarité entre les sites réactifs et les substrats. Les enzymes sont de fait capables d’accélérer de façon fantastique les réactions chimiques qu’elles catalysent et la mesure du facteur d’accélération est le plus souvent très difficile à obtenir. Pour illustrer les méthodologies mises en œuvre, le cas de l’uroporphyrinogène décarboxylase, une enzyme impliquée dans la biosynthèse de l’hème, de la chlorophylle et des cytochromes, a été discuté (R. Wolfenden, PNAS 2008, 105, 17328). Le facteur d’accélération est de l’ordre de 1017. Les différentes théories permettant d’expliquer ces accélérations, en particulier celle, célèbre, de la stabilisation de l’état de transition, proposée par L. Pauling en 1948, ont été présentées. Il faut savoir qu’encore aujourd’hui ce pouvoir catalytique des enzymes reste un mystère et un sujet de controverses très profondes, en ce qui concerne le poids relatif des effets entropiques et enthalpiques, et la réalité d’un état de transition défini, auquel on peut appliquer la thermodynamique classique. Avec une présentation du lysozyme, de la triose phosphate isomérase, de la cytidine déaminase pour illustrer les différentes hypothèses, il ressort que les positionnements relatifs des acides aminés des sites actifs et des substrats, et les interactions électrostatiques qui en découlent, jouent un rôle majeur dans la catalyse. Cela signifie, comme le suggère A. Warshel, que l’origine de la catalyse réside dans la structure de la protéine et donc que son pouvoir catalytique, l’énergie catalytique, est implémenté d’une façon ou d’une autre, au moment de sa synthèse et non au moment de la réaction.

2. Les métaux : des origines aux biocatalyseurs d’aujourd’hui

5Une présentation générale du type de métaux présents dans les systèmes vivants, de la grande variété des structures des sites actifs métalliques, de la réactivité de ces ions métalliques (acidité de Lewis, propriétés rédox, …) a été proposée. Dans un second temps, il a été montré qu’il y avait une excellente corrélation entre le type d’ion métallique utilisé pour une fonction biologique donnée et, d’une part, l’abondance de l’élément, sous forme soluble, à la surface de la terre et, d’autre part, ses propriétés physico-chimiques intrinsèques (par exemple, le Zn pour des réactions d’hydrolyse et le fer et le cuivre pour des réactions rédox). Il est hautement probable que la vie n’a pu apparaître sur la terre que grâce à l’exploitation du potentiel chimique de ces métaux. Une hypothèse raisonnable, qui s’oppose à la vision d’une origine hétérotrophe de la vie de S. Miller (1953), est celle d’une origine autotrophe qui utilise les molécules de l’atmosphère comme l’azote, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, et des catalyseurs/réducteurs hétérogènes de type sulfures de nickel et de fer, en absence d’oxygène pour produire des acides aminés et des peptides. Ces catalyseurs ont été remarquablement conservés au cours de l’évolution. Cette période originelle peut être qualifiée d’« ère du fer », laquelle dure 2 milliards d’années, si l’on considère l’importance de ce métal dans la chimie biologique et son abondance à la surface de la terre. Ensuite, l’arrivée de l’oxygène conduit à une oxydation massive du fer, à sa précipitation et à un changement drastique de l’environnement chimique de la vie. Par exemple, l’oxydation du cuivre le rend plus soluble et plus disponible et de nombreuses enzymes à cuivre sont alors inventées (« ère du cuivre »).

3. Les ions métalliques : pèlerinages cellulaires

6Les ions métalliques doivent être récupérés de l’environnement, où ils s’accumulent, par les cellules. Les recherches actuelles dans ce domaine concernent de façon très active les questions de la solubilisation d’un ion métallique donné, de la traversée des membranes, de l’accès au bon compartiment cellulaire et de l’adressage à la bonne protéine où il doit se fixer de façon sélective. Ces questions ont été discutées en prenant comme modèle le métabolisme du cuivre qui met en œuvre des métallochaperones intracellulaires qui ont pour fonction de protéger et de guider les ions métalliques à travers le cytoplasme jusqu’à leurs cibles protéiques auxquelles elles délivrent leurs ions. Dans le cas du cuivre, qui est un métal toxique lorsqu’il est libre en solution, il y a une nécessité absolue de maintenir à un niveau très bas la concentration cellulaire de cuivre libre. Des métallochaperones impliquées dans le transport du cuivre – notamment pour alimenter une enzyme antioxydante comme la superoxyde dismutase ou des ATPases membranaires à cuivre dont les mutations sont responsables de maladies génétiques (maladie de Wilson et maladie de Menkès) – ont été plus particulièrement discutées du point de vue de leurs structures tridimensionnelles, de leurs modes de fixation du cuivre et de leurs mécanismes de transfert du cuivre aux cibles protéiques.

4. L’oxygène moléculaire : origines et paradoxes

7Ce premier cours sur l’oxygène moléculaire a permis de poser un certain nombre de bases chimiques pour l’étude de la réactivité de l’oxygène dans les systèmes biologiques. L’oxygène est arrivé sur la terre d’une certaine façon par accident, étant le produit de la photosynthèse qui utilise l’eau comme donneur d’électrons pour la conversion du dioxyde de carbone en sucres. L’origine de l’oxygène et l’évolution de sa concentration dans l’atmosphère terrestre ont été brièvement discutées pendant ce cours en soulevant notamment la question de l’apparition soudaine, encore mal comprise, d’oxygène il y a environ 2,2 milliards d’années. Cependant ses propriétés oxydantes potentielles ont été ensuite abondamment utilisées dans une très grande variété de réactions métaboliques et biosynthétiques. Cette utilisation, thermodynamiquement très favorable, n’est pas simple car, en raison de son caractère paramagnétique, l’oxygène réagit avec les substrats organiques extrêmement lentement (interdiction de spin). Elle implique donc des mécanismes très fins d’activation de l’oxygène ou des substrats à oxyder. Ces différents mécanismes ont été brièvement présentés et illustrés par des exemples de métalloenzymes impliquées dans ces processus d’activation. En résumé, l’activation d’un substrat passe par sa transformation en espèces radicalaires intermédiaires très réactives vis-à-vis de l’oxygène, tandis que l’activation de l’oxygène passe par sa réduction en péroxyde et l’activation du péroxyde par des ions métalliques (en particulier fer et cuivre).

5. Vers la photosynthèse artificielle : des catalyseurs bio-inspirés

8L’énergie est le grand défi de l’humanité du xxie siècle. L’augmentation de la population mondiale, la croissance économique des grands pays de la planète, la disparition programmée des sources d’énergie non renouvelables (pétrole, charbon, gaz et même uranium), enfin la nécessité de limiter la production des gaz à effet de serre nous obligent à l’innovation en matière de technologies de l’énergie, et ce de façon urgente. Cette innovation viendra d’un couplage toujours plus important entre recherche fondamentale et recherche technologique. Tout semble indiquer que même si nos sources d’énergie seront diversifiées dans le futur, bien plus qu’elles ne le sont aujourd’hui, le soleil est le seul à même de fournir l’énergie nécessaire à l’humanité d’une façon propre, durable, pendant des milliards d’années. L’une des contributions les plus fascinantes du monde vivant à ces questions réside dans la photosynthèse qui, justement, transforme très efficacement l’énergie solaire en carburants chimiques (sucres) en utilisant l’eau comme source d’électrons. L’eau est une molécule très stable et un mauvais réducteur. Elle nécessite d’être activée. Certains organismes vivants (cyanobactéries, algues, plantes) ont inventé un catalyseur unique et totalement conservé, à base de manganèse et de calcium, pour coupler deux molécules d’eau déprotonées et les oxyder en oxygène moléculaire. Les structures du photosystème et du site MnCa ont été présentées, permettant de proposer des mécanismes pour l’oxydation de l’eau. La compréhension de cette chimie et la mise au point de catalyseurs possédant les mêmes propriétés chimiques que le site MnCa du photosystème, pour des applications dans le domaine de l’énergie, ont conduit depuis des années les chimistes à mettre en œuvre une approche bio-inspirée pour préparer des complexes de coordination capables de fixer l’eau et l’oxyder en oxygène. L’histoire de cette recherche a été présentée de façon complète en discutant successivement des complexes biomimétiques polynucléaires de manganèse, puis les complexes mono- et poly-nucléaires de ruthénium, enfin des derniers matériaux à base de d’oxydes de cobalt proposés par D. Nocera au MIT (Science 2008 321 1072).

6. La cytochrome oxydase : l’enzyme de la réduction de l’oxygène moléculaire

9La cytochrome oxydase est un système biologique chimiquement fascinant car il catalyse une réaction complexe, la réduction de l’oxygène moléculaire en eau, et physiologiquement essentielle car cette réaction, thermodynamiquement productrice d’énergie, est couplée à la production d’un carburant chimique, l’ATP, en grosses quantités. Malgré le caractère thermodynamiquement favorable de la réaction, la réduction de l’oxygène est complexe car elle implique un transfert de 4 électrons et nécessite donc un catalyseur. Par ailleurs le couplage avec la synthèse d’ATP n’est pas direct mais passe par un couplage des réactions rédox avec la formation de gradients de pH à travers la membrane, de sorte que la cytochrome oxydase est non seulement un système de transfert d’électrons mais aussi une pompe à protons. Le cours a permis de présenter la thermodynamique de la réaction, la théorie chimio-osmotique et la notion de force proton motrice, les structures de la cytochrome oxydase et plus particulièrement de son site métallique de réduction de l’oxygène, un site binucléaire constitué d’une porphyrine de fer (cytochrome) et d’un complexe de cuivre. Ceci nous a permis de discuter les mécanismes de transfert d’électrons et de transfert de protons qui constituent encore à l’heure actuelle des sujets de recherche très controversés et très activement développés.

Séminaires

La vie trépidante des électrons dans les enzymes d’oxydo-réduction

10Séminaire du 8 avril 2009 (Patrick Bertrand, professeur à l’université Aix-Marseille 1).

11De nombreuses réactions chimiques impliquent des échanges d’électrons, et ces échanges se produisent habituellement lorsque les molécules réagissent lors d’une collision. Cependant, on a découvert il y a plus de trente ans que des centres rédox distants de 10 à 20 Å pouvaient échanger rapidement des électrons dans les enzymes d’oxydo-réduction et les systèmes bioénergétiques de tous les êtres vivants. Ces transferts d’électrons à longue distance ont fait l’objet d’un grand nombre d’études théoriques et expérimentales. On sait maintenant qu’ils jouent un rôle essentiel dans le mécanisme catalytique de ces enzymes, et on connaît les facteurs qui déterminent leur vitesse. Des mystères demeurent cependant. Dans les nombreuses structures d’enzymes d’oxydo-réduction qui ont été déterminées ces dernières années, on distingue très bien des « chaînes de transfert d’électrons » constituées de plusieurs centres rédox séparés par une distance de 10 à 20 Å. Or, l’ordre des potentiels rédox des centres le long de ces chaînes n’est pas toujours favorable à des transferts rapides et quasi unidirectionnels. On peut donc se demander si ceux-ci sont limitants dans le cycle catalytique et s’ils jouent un rôle dans le biais catalytique de l’enzyme, c’est-à-dire sa capacité à mieux catalyser une réaction que la réaction inverse.

12Ces différents points ont été abordés au cours du séminaire. Nous avons d’abord précisé les facteurs qui déterminent la valeur de la constante de vitesse de transfert d’électron et nous avons vu pourquoi ces transferts ont lieu sur de grandes distances dans les enzymes d’oxydo-réduction. Nous avons ensuite présenté les méthodes qui ont été élaborées ces dernières années pour mesurer cette vitesse dans les enzymes de type « respiratoire » et analysé les données obtenues pour plusieurs enzymes susceptibles d’applications dans le domaine des biotechnologies.

D’où viennent les métaux du système solaire ?

13Séminaire du 6 mai 2009 (Jacques Reisse, professeur à l’université de Bruxelles).

14Les métaux jouent un rôle très important au sein du monde vivant. Il est donc intéressant de s’interroger sur l’origine de ces métaux que les organismes autotrophes trouvent dans les couches superficielles de l’écorce terrestre.

15Le Terre est un corps différentié et des métaux comme le fer sont concentrés essentiellement dans le cœur de la planète. Néanmoins, il reste du fer et bien d’autres métaux dans l’écorce. Pourquoi ? La réponse à cette question entraîne une autre question. D’où proviennent les métaux terrestres ou, plus généralement, les métaux qui sont présents dans les planètes, satellites et astéroïdes qui constituent le système solaire ? Ils devaient être déjà présents dans la protonébuleuse solaire au sein de laquelle se sont formés tous ces corps. Pourquoi ? La réponse à cette question est connue mais elle entraîne une autre question puis une autre encore jusqu’à une limite puisque, dans le cadre du modèle cosmologique standard, les seuls éléments présents dans l’Univers primordial étaient des éléments légers (essentiellement H et He). Notre Univers a donc nécessairement connu un état « pré-métallique ».

16L’exposé a donc porté sur l’origine des métaux dans l’Univers mais aussi sur l’apport de métaux, de matière organique et d’eau sur la Terre primitive, durant la phase dite post-accrétionnelle.

La nutrition ferrique des organismes vivants : du complexant moléculaire aux nanostructures autoassemblées

17Séminaire du 13 mai 2009 (Jean-Louis Pierre, professeur à l’université Joseph Fourier (Grenoble)).

18Suite à l’apparition de l’oxygène, qui a entraîné la précipitation des hydroxydes du fer devenu ferrique, donc insoluble, les microorganismes ont développé une stratégie efficace pour acquérir le fer indispensable à leur croissance. Cette réponse évolutionnaire implique : la biosynthèse de petites molécules (sidérophores) qui, externalisées, sont capables de solubiliser le fer ferrique de l’environnement, un système de protéines membranaires réceptrices des ferrisidérophores et des réductases qui délivrent du fer ferreux, permettant ainsi l’utilisation du métal par les apoprotéines à fer.

19La conception et l’étude de sidérophores de synthèse répond à un triple but :

  1. forger des outils chimiques pour mieux comprendre le métabolisme du fer (beaucoup de « boîtes noires » persistent encore à ce jour) ;

  2. développer des médicaments chélateurs du fer pour traiter la surcharge (hémochromatose), maladie létale qui touche des millions de personnes ;

  3. développer des complexes ferriques adaptés à la nutrition des bactéries marines (celles-ci jouent un rôle fondamental dans la transformation du CO2 en oxygène) qui dépérissent en cas de manque de fer ou encore à la nutrition végétale, en particulier dans les sols calcaires.

20Cet exposé a rapporté les travaux d’un laboratoire de chimie dans la problématique des synthèses de nouveaux chélateurs du fer, des études physico-chimiques de la complexation (thermodynamique et cinétique) et des applications biologiques, incluant le développement de chélateurs moléculaires ainsi que celui de systèmes amphiphiles, mimes des sidérophores des bactéries marines capables de s’autoassembler en vésicules.

Le photosystème II : l’enzyme de l’oxydation de l’eau

21Séminaire du 20 mai 2009 (Alfred W. Rutherford, directeur de recherches au CNRS CEA Saclay).

22L’enzyme d’oxydation de l’eau dans le photosystème est en large partie responsable de la conversion de l’énergie solaire en composés chimiques à haute énergie nécessaires à la vie sur la planète et qui se sont accumulés sous forme de carburants fossiles. Cette enzyme produit également l’oxygène présent dans l’atmosphère qui rend la biosphère aérobie avec toutes les répercussions associées (respiration aérobie, vie multicellulaire, protection par l’ozone etc.). C’est aussi le seul catalyseur qui peut oxyder l’eau au potentiel thermodynamique optimum. En conséquence, elle fait l’objet de toutes les attentions dans le but de mieux comprendre son fonctionnement et de produire des catalyseurs bio-inspirés potentiellement utiles pour la mise au point de dispositifs efficaces pour la conversion de l’énergie : a) production d’H2 par électrolyse ou photolyse ; b) production d’électricité par les piles à combustibles. Le groupe à Saclay applique des approches biophysiques, biochimiques et biologiques pour étudier la photochimie et l’enzymologie de cette enzyme remarquable. Ces approches sont appliquées aux enzymes isolées d’espèces thermophiles de cyanobactéries, car elles sont plus robustes et homogènes. L’étude porte plus particulièrement sur le cluster d’ions métalliques (4 ions Mn et un ion calcium). En parallèle nous synthétisons et étudions des modèles chimiques reproduisant certaines propriétés de l’enzyme. Ces systèmes artificiels pourraient avoir des applications dans la production de carburants solaires et dans les piles à combustibles (supported by EU network Solar H2).

Hydrogène et catalyse : des algues aux nanomatériaux

23Séminaire du 27 mai 2009 (Vincent Artero, chercheur CEA Grenoble).

24La photosynthèse oxygénique permet aux plantes d’utiliser l’énergie solaire pour réduire le dioxyde de carbone et produire leur biomasse. Certaines micro-algues ou bactéries ont même développé une variante de ce processus leur permettant de produire de l’hydrogène grâce à une enzyme spécifique et très efficace, l’hydrogénase. Cependant, si l’hydrogène est un gaz à haute capacité énergétique massique qui pourrait constituer le carburant idéal d’une économie de l’après-pétrole, de nombreux verrous scientifiques et technologiques restent à lever, notamment en ce qui concerne sa production à partir de ressources renouvelables. Nous montrerons comment les chimistes peuvent s’inspirer du fonctionnement des systèmes biologiques pour développer des nouveaux catalyseurs ou photocatalyseurs pour produire l’hydrogène sans recourir à des métaux nobles comme le platine.

Un modèle fonctionnel pour le site actif de la Cytochrome c Oxidase réduit de façon catalytique l’oxygène en eau dans des conditions physiologiques

25Séminaire du 3 juin 2009 (James Collman, professeur à l’université de Stanford, États-Unis)

26À pH et potentiel physiologiques, un modèle synthétique du site actif de l’enzyme cytochrome c oxydase (CcO) catalyse la réduction de l’oxygène à 4 électrons. Ce modèle est attaché de façon covalente à une monocouche auto-assemblée (SAM) sur une électrode d’or. Le modèle possède tous les composants essentiels du site actif de CcO : un hème à fer (« heme a3 ») avec ligand imidazole proximal et un ensemble de trois imidazoles distaux fixés au cuivre (« Cu-b »). Un phénol mimant la « tyrosine 244 » est attaché à l’un des imidazoles distaux. Les trois composants rédox-actifs sont nécessaires pour minimiser la production d’espèces partiellement réduites de l’oxygène pendant la réduction de l’oxygène. Ce modèle fonctionnel démontre comment CcO lui-même peut tolérer l’hormone NO, connue pour diffuser à travers la mitochondrie. Il est proposé que Cu-b délivre du superoxyde à NO fixé au Fe de l’heme a3 pour former du péroxynitrite et du nitrate, qui diffusent ensuite.

Références principales

27Collman, James P., Devaraj, Neal K., Decréau, Richard A., Yang, Ying, Yan, Yilong, Ebina, Wataru, Eberspacher, Todd A., Chidsey, Christopher E. D., “A Cytochrome c Oxidase Model Catalyzes Oxygen to Water Reduction Under Rate-Limiting Electron Flux”, Science, 2007, 315, 1565-1568.

Collman, James P., Dey, Abhishek, Decreau, Richard A., Yang, Ying, Hosseini, Ali, Solomon, Edward I., Eberspacher, Todd A., “Interaction of Nitric Oxide with a Functional Model of Cytochrome c Oxidase”, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2008, 105(29), 9892-9896.

Recherche

28L’équipe, intitulée biocatalyse, animée par Marc Fontecave, fait partie du laboratoire de chimie et biologie des métaux (UMR université Joseph Fourier-CEA-CNRS n° 5249, directeur Marc Fontecave) est localisée sur le centre du CEA à Grenoble. Elle est constituée actuellement de

9 chercheurs et enseignants-chercheurs permanents (chercheurs CEA : V. Artero, M. Atta, L. LePape ;

2 enseignants-chercheurs : M. Fontecave, C. Gerez ; chercheurs CNRS : V. Nivière, E. Mulliez, S. Ollagnier-de-Choudens, F. Pierrel).

Etudiants en thèse : S. Canaguier, F. Bonnot, E. Tremey, S. Arragain

Post-docs : S. Wollers, P. Tran Dinh, P.-A. Jacques, C. Tron, V. Ambike

29Les projets de l’équipe « biocatalyse » concernent l’étude de métalloenzymes à la fois du point de vue de leur structure et de leurs propriétés chimiques (mécanismes réactionnels). Les systèmes sont choisis soit parce qu’ils mettent en œuvre une chimie tout à fait originale (en particulier l’équipe s’intéresse aux enzymes qui font intervenir en les contrôlant des espèces radicalaires très actives), soit parce qu’ils remplissent des fonctions biologiques de toute première importance (synthèse et réparation de l’ADN, modification des ARNs de transfert, biosynthèse des centres fer-soufre, etc.), soit, enfin, parce qu’ils peuvent conduire à des applications intéressantes sur le plan de la santé (nouveaux antibactériens, nouveaux antioxydants), de la catalyse (production d’hydrogène) ou de l’environnement (toxicologie nucléaire). Certains de ces systèmes biologiques constituent de fait des sources uniques d’inspiration pour les chimistes de synthèse. Cette approche, biomimétique ou bio-inspirée, est en particulier très développée dans le cas des hydrogénases, des enzymes possédant des propriétés catalytiques uniques pour la réduction des protons en hydrogène ou pour l’oxydation de l’hydrogène en eau.

30Les différents projets de l’équipe et les résultats marquants des dernières années sont résumés dans les pages qui suivent.

1. Métalloenzymes radicalaires (M. Atta, M. Fontecave, E. Mulliez)

31L’activation de liaisons C-H est un thème central thème en chimie biologique. En général, cela requiert la présence d’un ion métallique dont le rôle est de créer une espèce radicalaire à haute énergie capable d’arracher un atome d’hydrogène sur le substrat. Dans le cas de certaines monoxygénases, cette espèce radicalaire provient d’une activation réductrice de l’oxygène par un centre à fer binucléaire (figure 1A). Avec les enzymes de la famille « Radical-SAM », elle provient de la réduction monoélectronique de la S-Adénosylméthionine (SAM) catalysée par un cluster fer-soufre (figure 1B).

32Ces deux mécanismes sont étudiés de façon active au laboratoire à travers l’étude de la monooxygénase à fer, MiaE, qui catalyse la transformation d’un ARN de transfert (figure 1A) et de deux enzymes « Radical-SAM » : la Spore Photoproduct Lyase (SPL), une enzyme de réparation de l’ADN, et MiaB, une tRNA-thiométhyltransférase (figure 1B).

Figure 1 : Activation et fonctionnalisation de liaisons C-H : (A) oxydation catalysée par la monooxygénase MiaE ; (B) MiaB et SP Lyase, deux enzymes fer-soufre de la famille « Radical-SAM »

Figure 1 : Activation et fonctionnalisation de liaisons C-H : (A) oxydation catalysée par la monooxygénase MiaE ; (B) MiaB et SP Lyase, deux enzymes fer-soufre de la famille « Radical-SAM »

1.1. Réactions dépendantes de l’oxygène (MiaE1)

  • 1 Mathevon C., Pierrel F., Oddou J.-L., Garcia-Serres R., Blondin G., Latour J.-M., Menage S., Gambar (...)

33MiaE catalyse l’hydroxylation allylique post-transcriptionelle de la 2-méthylthio-N-6-isopentényl adénosine dans les tRNAs. Récemment, nous avons purifié l’enzyme de Salmonella typhimurium. En utilisant un ensemble de méthodes spectroscopiques, nous avons montré que MiaE contenait un cluster dinucléaire de fer non héminique, semblable à celui trouvé dans la méthane monooxygénase, le prototype de cette classe de monooxygénases. Il s’agit du premier exemple d’une enzyme de cette famille impliquée dans l’hydroxylation d’une macromolécule biologique et le second exemple d’une métalloenzyme rédox participant à une modification d’ARN de transfert.

1.2. Réactions dépendantes de SAM (SPL and MiaB)

1.2.1. SPL une enzyme de réparation de l’ADN : une coupure de liaison C-C2345

  • 2 Chandor A., Berteau O., Douki T., Gasparutto D., Sanakis Y., Ollagnier de Choudens S., Atta M. et F (...)
  • 3 Chandor-Proust A., Berteau O., Douki T., Gasparutto D., Ollagnier de Choudens O., Fontecave M. et A (...)
  • 4 Mantel C., Chandor-Proust A., Gasparutto D., Douki T., Atta M., Fontecave M., Bayle P., Mouesca J.- (...)
  • 5 Chandor A., Douki T., Gasparutto D., Gambarelli S., Sanakis Y., Nicolet Y., Ollagnier de Choudens S (...)

34Le photo-produit majoritaire de l’ADN de spores de Bacillus subtilis irradiés par des UVs est le dimère de thymine appelé spore photo-produit (SP, 5-(α-thyminyl)-5,6-dihydrothymine, figure 1B). Cette lésion de l’ADN est spécifiquement réparée par la SPL qui convertit SP en deux thymines intactes (figure 1B). Nous avons démontré que la SPL appartient à la famille « Radical-SAM » et accepte comme substrat non seulement de l’ADN de spores irradiés mais aussi le dinucléoside monophosphate SPTpT (figure 1B), suggérant que le site actif de l’enzyme est capable de fixer sélectivement le dimère de thymine pour le réparer à l’extérieur de la double hélice 2. Nous avons également déterminé la structure de SPTpT, en particulier la configuration absolue du carbone 5 dans le SP naturel par une combinaison de spectroscopie RMN et de calculs DFT 4. Nous avons démontré que le SPTpT est le dinucléotide 5´ → 3´ avec une configuration R sur le carbone C5a. Enfin, en mutant la cystéine-141, un résidu totalement conservé dans Bacillus et essentiel pour la réparation de l’ADN des spores in vivo, nous avons pu montrer que cette cystéine joue un rôle important dans le contrôle de la réaction 3. En particulier, ce mutant nous a permis de piéger l’un des intermédiaires réactionnels et de proposer un mécanisme pour la réaction de réparation de SP par l’enzyme SPL 3.

1.2.2. MiaB est une tRNA-thiométhyltransférase : formation de liaison C-S6

  • 6 Hernandez H.-F., Pierrel P., Elleingand E., Garcia-Serres R., Huynh B.-H., Johnson M.-K., Fontecave (...)

35Les organismes vivants contiennent des molécules soufrées qui jouent des rôles biologiques importants. Il peut s’agir de complexes inorganiques comme les clusters fer-soufre ou des composés organiques comme la biotine ou l’acide lipoique, dont la biosynthèse dépend d’enzymes de la famille « Radical-SAM ». Dans ce cas, il est proposé que le radical substrat intermédiaire réagit avec une espèce soufrée, encore inconnue et sujette à controverse, pour former la liaison C-S du produit final. La tRNA-thiométhyltransférase (MiaB) (qui intervient dans le processus complexe de modification d’un ARN de transfert) a été choisie comme modèle pour l’étude de cette réaction fascinante pour le chimiste (figure 1B).

36Grâce à l’utilisation poussée de spectroscopies et de méthodes analytiques variées, nous avons montré que, comme d’autres enzymes de cette famille (BioB, la biotine synthase, et LipA, la lipoate synthase), MiaB contient deux clusters fer-soufre. Un cluster pourrait servir de source d’atomes de soufre actif (une fonction nouvelle pour cette classe de centre métallique), alors que le second servirait à la réduction de la S-adénosylméthionine (SAM).

2. Biosynthèse de sites métalliques (S. Ollagnier-de-Choudens, C. Gerez, M.  Fontecave)

2.1. Biosynthèse de clusters Fe-S7-15

  • 7 Fontecave M. et Ollagnier de Choudens S. Arch. Biochem. Biophys., 2008, 474, 226-37.
  • 8 Fontecave M., Py B., Ollagnier de Choudens S. et Barras F., In Escherichia coli and Salmonella, 200 (...)

37Les clusters fer-soufre (Fe-S) sont des combinaisons d’atomes de fer et de soufre polynucléaires qui sont utilisés par une très grande variété d’enzymes pour des fonctions diverses. Ils servent de centres catalytiques dans des enzymes de transfert d’électrons impliquées dans des processus biologiques aussi importants que la photosynthèse et la respiration. Il a été montré, in vivo, que la biosynthèse des centres Fe-S met en œuvre des machineries biosynthétiques complexes. Chez E. coli, deux familles différentes de tels systèmes ont été identifiées : les systèmes ISC et SUF. Le premier est utilisé dans des conditions normales de croissance tandis que le second opère dans des conditions dangereuses pour les centres Fe-S comme un stress oxydant ou une carence en fer. Les deux machineries possèdent une cystéine désulfurase qui permet une utilisation de la cystéine comme source d’atomes de soufre ainsi qu’une protéine d’assemblage qui fournit un site pour la construction d’un cluster qui sera ultérieurement transféré à des apoprotéines. Les systèmes ISC et SUF contiennent aussi des protéines pour l’hydrolyse de l’ATP. Nous avons été récemment invités à écrire deux articles de revue sur ce sujet78.

Figure 2 : Représentation schématique du système SUF

Figure 2 : Représentation schématique du système SUF

38Notre projet est de comprendre au niveau moléculaire comment ces complexes multi-protéiques fonctionnent pour mobiliser les atomes de fer et de soufre à partir de sources biologiques, d’assembler ces atomes sous forme de clusters, et enfin de fournir ces matériaux inorganiques organisés à des protéines acceptrices. Pour ce faire, nous avons choisi le système bactérien SUF comme modèle de ces machineries et avons montré qu’en effet il fonctionnait sous la forme d’un large complexe SufSEBC2D (J. Biol. Chem. 2007, 282, 13342-13350) (figure 2).

  • 9 Murphy N., Ollagnier de Choudens S., Sanakis Y., Abdel-Ghany S.E., Rousset C., Ye H., Fontecave M., (...)
  • 10 Ollagnier de Choudens S., Loiseau L., Sanakis Y., Barras F. et Fontecave M., FEBS Lett., 2005, 579, (...)
  • 11 Rousset C., Fontecave M. et Ollagnier de Choudens S., FEBS Lett. 2008, 582, 2937-44.

39Nous avons été les premiers à caractériser les protéines d’assemblage IscA/SufA ainsi que les cystéines désulfurases à deux composants SufS-SufE/CsdA-CsdE. Dans ce contexte, nous avons récemment isolé et caractérisé, en collaboration avec le groupe de M. Pilon (Colorado), deux protéines de type SufE dans les chloroplastes de A. thaliana9. L’une d’elles a été identifiée pour la première fois comme étant la quinolinate synthase (NadA) de cet organisme, une enzyme fer-soufre. L’acide quinolinique est un précurseur biosynthétique du NAD. Cette nouvelle protéine contient deux domaines, un domaine SufE et un domaine NadA portant un cluster essentiel. C’est la première fois qu’une enzyme Fe-S contient un domaine fonctionnel impliqué dans l’assemblage de son cluster. Cette association originale permet la formation et la réparation du cluster dans des conditions de concentrations élevées d’O2, dangereuses pour les clusters, que l’on trouve dans des compartiments comme les chloroplastes (figure 3). La caractérisation détaillée de NadA provenant d’A. thaliana mais aussi d’E. coli a été réalisée1011.

Figure 3 : La quinolinate synthase d’A. thaliana : une association d’un domaine catalytique contenant un centre Fe-S (NadA) et d’un domaine impliqué dans l’assemblage du fer-soufre (SufE)

Figure 3 : La quinolinate synthase d’A. thaliana : une association d’un domaine catalytique contenant un centre Fe-S (NadA) et d’un domaine impliqué dans l’assemblage du fer-soufre (SufE)
  • 12 Layer G., Ollagnier de Choudens S., Sanakis Y., and Fontecave M., J. Biol. Chem., 2006, 281, 16256- (...)

40Nous nous sommes intéressés également à l’identification du donneur physiologique de fer lors de la biosynthèse des clusters. Nous avons été les premiers à montrer un lien entre ce processus, dans le cas du système ISC, et la protéine à fer appelée CyaY : celle-ci se fixe à la cystéine désulfurase IscS et peut fournir son fer à la protéine d’assemblage IscU lors de la synthèse du cluster 12. Il est intéressant de noter que CyaY est la frataxine bactérienne, une protéine impliquée dans la synthèse des clusters Fe-S chez les mammifères. L’inactivation de la frataxine conduit à l’ataxie de Friedreich, une maladie génétique.

  • 13 Ranquet C., Ollagnier de Choudens S., Loiseau L., Barras F. and Fontecave M., J. Biol. Chem., 2007, (...)

41Un autre aspect de notre projet a concerné le lien entre biosynthèse des clusters fer-soufre et stress métallique. Nous avons démontré que la toxicité du cobalt, par exemple, chez E. coli était due à l’inactivation de protéines Fe-S. Les protéines Suf sont spécifiquement impliquées dans la résistance au cobalt et des études in vitro ont montré une compétition entre le Co et le Fe pendant l’assemblage des clusters13.

  • 14 Loiseau L., Gerez C., Bekker M., Ollagnier de Choudens S., Py B., Sanakis Y., Teixeira de Mattos J. (...)
  • 15 Angelini S., Gerez G., Ollagnier-de Choudens S., Sanakis Y., Fontecave M., Barras F. et Py B., J. B (...)

42Enfin deux études, menées en collaboration avec F. Barras, Marseille (CNRS), nous ont conduits à la découverte de deux acteurs importants du processus de biosynthèse des clusters Fe-S chez E. coli grâce à une approche originale combinant de la génétique microbienne, de la biologie moléculaire, de la chimie des protéines et de la spectroscopie (ANR Blanc 2007). Nous avons identifié une protéine, appelée ErpA, qui joue un rôle essentiel dans le métabolisme respiratoire à travers la maturation de GcpE et LytB, deux enzymes Fe-S essentielles, responsables de la formation de l’isopentenyl diphosphate, un précurseur des isoprénoides, en particulier les quinones14. D’autre part, un nouveau type de protéine de transport de cluster Fe-S a été identifié, provenant d’une fusion entre un domaine IscA/SufA et un domaine Nfu (Nfu est un autre type de protéine d’assemblage). Par des approches in vivo et in vitro nous avons montré que cette protéine, appelée NfuA, participait à la maturation de protéines Fe-S chez E. coli dans des conditions de stress oxydant et de carence en fer et que les deux domaines étaient essentiels15.

2.2. Maturation des hydrogénases16-19

  • 16 Rubach J.K, Brazzolotto X., Gaillard J., Fontecave M., FEBS Lett., 2005, 579, 5055-5060.
  • 17 Brazzolotto X., Rubach J.K., Gaillard J., Gambarelli S., Atta M., Fontecave M., J. Biol. Chem., 200 (...)
  • 18 Nicolet Y., Rubach J.K., Posewitz M.C., Amara P., Mathevon C., Atta M., Fontecave M., Fontecilla-Ca (...)
  • 19 Pilet E., Nicolet Y., Mathevon C., Douki T., Fontecilla-Camps J.C., Fontecave M., FEBS Lett., 2009, (...)

43Les [Fe2]-hydrogénases contiennent un centre bi-nucléaire à fer original (figure 3) dont la biosynthèse implique aussi une machinerie protéique complexe. Les trois composants protéiques, HydE, HydG et HydF ont été isolés et caractérisés. Il est remarquable que les trois protéines soient des enzymes Fe-S, HydE and HydG appartenant à la famille « Radical-SAM », comme cela a été montré par des études spectroscopiques et cristallographiques161718. Cependant on sait très peu de choses sur leurs fonctions : HydF présente une activité GTP-ase et semble jouer le rôle de protéine d’assemblage du site dinucléaire qui est ensuite transféré à l’apo-hydrogénase, tandis que HydE et HydG sont probablement impliquées dans la biosynthèse des petits ligands, CO, CN et le pont dithiolate (figure 4A). Nous avons récemment avancé que la protéine HydG est spécifiquement impliquée dans la synthèse de ce dithiolate, en utilisant la tyrosine comme précurseur, à travers une réaction chimique fascinante (figure 4B)19.

Figure 4a : le centre binucléaire à fer des [Fe-Fe]-hydrogénases

Figure 4a : le centre binucléaire à fer des [Fe-Fe]-hydrogénases

Figure 4b : mécanisme de biosynthèse du pont azadithiolate

Figure 4b : mécanisme de biosynthèse du pont azadithiolate

3. Une enzyme antioxydante : la superoxyde réductase20-24 (V. Nivière)

44Le stress oxydant représente un problème majeur pour la vie aérobie et la compréhension des mécanismes par lesquels la cellule se protège des espèces réactives de l’oxygène constitue un domaine important de la biologie. Les métalloenzymes jouent des rôles essentiels dans ces processus et en 2000 notre groupe a découvert une nouvelle famille d’enzymes antioxydantes que nous avons appelées les superoxydes réductases (SOR). SOR détruit les radicaux superoxydes par une réduction monoélectronique produisant du peroxyde d’hydrogène exclusivement : O2•- + 1e + 2H+ → H2O2, donc par un mécanisme différent de celui des superoxydes dismutases SODs. Le site actif de SOR comporte un ion ferreux avec une coordination originale [Fe2+(HisN)4(CysS)1]. Le projet consiste à comprendre le mécanisme chimique de cette réaction.

  • 20 Katona G., Carpentier P., Nivière V., Amara P., Adam V., Ohana J., Tsano N. et Bourgeois D., Scienc (...)

45En particulier nous avons réussi à piéger un intermédiaire de la réaction, une espèce fer(III)-peroxyde, dans un mutant de SOR (figure 4). Dans le cadre d’une collaboration avec D. Bourgeois (IBS Grenoble), ce mutant a été cristallisé et l’intermédiaire produit dans le cristal. Différentes structures à haute résolution ont pu être obtenues et rapportées dans un article dans le journal Science en 200720. Ces structures montrent une coordination du ligand peroxyde de type « end-on » et qu’un résidu lysine, à travers un réseau de liaisons hydrogène, permet de maintenir une molécule d’eau à proximité de l’oxygène proximal du peroxyde (Fe-O-OH), suggérant une protonation de cet atome (figure 5). Ceci est capital pour l’étape de coupure de la liaison Fe-O et la formation du produit H2O2.

  • 21 Mathé C., Nivière V., Houée-Levin C. and Mattioli T.A., Biophysical Chemistry, 2006, 119, 38-48.
  • 22 Mathé C., Weill C.O., Mattioli TA., Berthomieu C., Houée-Levin C., Tremey T. et Nivière V. J., Biol (...)

46Le site actif de la SOR contient également un ligand axial cystéine qui joue un rôle dans la catalyse. En collaboration avec T.A. Mattioli (CEA Saclay) et C. Houée-Levin (Orsay), nous avons montré que l’environnement de cette cystéine exerçait un contrôle fin de la force de la liaison CysS-Fe, et donc sur la réactivité du complexe fer(III)-peroxyde. Ce contrôle est utilisé pour fragiliser la liaison Fe-O favorisant sa rupture pour former H2O22122. Nous comprenons donc comment le site actif de la SOR produit H2O2 à partir d’un intermédiaire Fe(III)-peroxyde et évite la rupture de la liaison O-O qui produirait une espèce fer-oxo comme dans les oxygénases.

  • 23 Molina-Hérédia F.P., Houée-Levin C., Berthomieu C., Touati D., Tremey E., Favaudon V., Adam V. et N (...)

47Nous avons également montré que la fixation spécifique de [Fe(CN)64-] sur le fer du site actif modifie la réactivité de ce dernier. Le complexe SOR-ferrocyanure réduit bien le superoxyde, mais sans production de H2O2. C’est le premier exemple d’un système catalytique conduisant à l’élimination du superoxyde sans production de H2O223.

  • 24 Mathé C., Nivière V., Mattioli T.A., J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 16436-16441.

48Enfin, nous avons démontré qu’à l’état ferrique le ligand carboxylate (Glu) peut être déplacé par un ion hydroxyde à pH basique. Ces résultats ont été déterminants pour l’interprétation du spectre UV-Vis du second intermédiaire observé pendant la catalyse24.

Figure 5 : Structure du site actif de SOR dans son état Fe(III)-peroxyde, résolution de 1,95 Å (Science, 2007).

Figure 5 : Structure du site actif de SOR dans son état Fe(III)-peroxyde, résolution de 1,95 Å (Science, 2007).

4. Métaux et hydrogène25-31 (V. Artero, M. Fontecave)

49L’hydrogène est aujourd’hui considéré comme un vecteur énergétique du futur et peut être vu comme un carburant pour remplacer les carburants fossiles dont les réserves sont limitées. La production d’hydrogène par photolyse de l’eau est l’une des solutions pour la conversion de sources d’énergie renouvelables comme le soleil en carburants. Cela demande la mise au point de dispositifs photoélectrochimiques pour la décomposition de l’eau et d’électrolyseurs à coupler à des panneaux photovoltaïques. Les technologies actuelles sont basées sur des catalyseurs à base de platine. Cependant ce métal est cher et peu abondant (seulement 37 ppb dans la croûte terrestre). Il y a donc nécessité et urgence à trouver de nouveaux matériaux basés sur des éléments abondants pour la production électrochimique et la photo-production de l’hydrogène. Des solutions peuvent être trouvées en s’inspirant des hydrogénases, des métalloenzymes qui catalysent la production/oxydation d’H2 aussi efficacement que le platine, mais en utilisant des métaux comme le fer et le nickel.

Figure 6 : un exemple de catalyseur Ni-Ru

Figure 6 : un exemple de catalyseur Ni-Ru
  • 25 Oudart Y., Artero V., Pécaut J., Fontecave M., Inorg. Chem., 2006, 45, 4334-4336.
  • 26 Oudart Y., Artero V., Pécaut J., Lebrun C., Fontecave M., Eur. J. Inorg. Chem., 2007, 2613-2626.
  • 27 Canaguier S., Artero V., Vaccaro L., Ostermann R., Pécaut J., Field M., Fontecave M., Chem. Eur. J. (...)

50La connaissance des structures des hydrogénases permet une approche biomimétique et la définition de la structure minimale requise pour un complexe bio-inspiré pour catalyser une production électrochimique d’hydrogène. Nous avons publié une série d’articles sur la synthèse et les propriétés catalytiques de divers complexes nickel-ruthénium bio-inspirés (figure 6), dans lesquels des entités organométalliques de ruthénium riches en électrons miment le fragment {Fe(CO)(CN)225, 26. Ces complexes NiRu sont les premiers modèles structuraux et fonctionnels des hydrogénases à Ni-Fe. De plus, de récentes études structurales et des calculs DFT sur ces systèmes, en collaboration avec Martin Field (IBS, Grenoble), ont confirmé que ces composés étaient de bons modèles pour l’étude des mécanismes de production et d’oxydation de l’hydrogène catalysés au site actif des hydrogénases27.

  • 28 Razavet M., Artero V., Fontecave M., Inorg. Chem., 2005, 44, 4786-4795.
  • 29 Baffert C., Artero V., Fontecave M., Inorg. Chem., 2007, 46, 1817-1824.
  • 30 Fihri A., Artero V., Razavet M., Baffert C., Leibl W., Fontecave M., Angew. Chem., Int. Ed., 2006, (...)
  • 31 Fihri A., Artero V., Pereira A., Fontecave M., Dalton trans., 2008, 5567-5569.

51Dans le même temps nous avons été les premiers à découvrir que les cobaloximes formaient une autre classe de catalyseurs intéressants pour la production d’hydrogène2829. Avec les complexes nickel bis-diphosphine de Dan DuBois (voir ci-dessous), ces cobaloximes sont actuellement les meilleurs catalyseurs en termes de surtension et d’activité. Nous avons ensuite intégré les cobaloximes et des unités de collecte de la lumière (complexes diimine de ruthénium, iridium or rhénium) au sein d’une structure supramoléculaire et obtenu le système photocatalytique le plus performant actuellement connu en termes de stabilité et de rendement quantique pour la photoproduction de l’hydrogène (figure 7A). Ces systèmes, publiés dans Angew. Chem. Int. Ed. (2008), sont les premiers à utiliser un métal de transition de la première ligne, le cobalt, donc plus abondant et moins cher que le platine, pour la catalyse3031.

Figure 7A : Structure d’un photocatalyseur supramoléculaire contenant une cobaloxime.
B : Représentation d’un nanotube de carbone fonctionnalisé avec un catalyseur bio-inspiré à base de nickel.

Figure 7A : Structure d’un photocatalyseur supramoléculaire contenant une cobaloxime.B : Représentation d’un nanotube de carbone fonctionnalisé avec un catalyseur bio-inspiré à base de nickel.

52En collaboration avec Serge Palacin (SPCSI, CEA-Saclay), nous avons combiné cette approche moléculaire bio-inspirée avec l’utilisation d’outils nanochimiques et montré que le greffage covalent des complexes nickel-bisdiphosphine développés par D. DuBois sur des nanotubes de carbone conduit à des nanomatériaux de cathode à base de nickel avec des performances remarquables (European Patent 08 290 988.8) (figure 7B) : l’hydrogène est produit à partir de l’acide sulfurique aqueux avec de très faibles surtensions (20 mV) et la stabilité du matériau est exceptionnelle (20 000 turnovers par heure). Ce catalyseur peut donc être exploité pour la production de H2 dans les conditions très acides mises en œuvre dans la technologie PEM (proton-exchange-membrane). Ce travail vient d’être accepté pour publication dans Science.

Publications

2008

53« Cobaloxime-based photocatalytic devices for hydrogen production », A. Fihri, V. Artero, M. Razavet, C. Baffert, W. Liebl, M. Fontecave, Angew. Chem., 2008, 47, 564-567.

« Mimicking NiFe hydrogenases: Nickel-based electrocatalysts for hydrogen production », S. Canaguier, V. artero, M. Fontecave, Dalton Trans., 2008, 315-325.

« Iron-Sulfur biosynthesis: mechanisms of cluster assembly and transfer », M. Fontecave, S. Ollagnier-de-Choudens, Arch. Biochem. Biophys., 2008, 474, 226-237.

« NfuA, a new factor required for maturing Fe/S proteins in Escherichia coli under oxidative stress conditions », S. Angelini, C. Gerez, S. Ollagnier-de-Choudens, Y. Sanakis, M. Fontecave, F. Barras, B. Py, J. Biol. Chem., 2008, 283, 14084-14091.

« The two-component FMN-dependent monooxygenase ActVA-ActVB from Streptomyces coelicolor: mechanism and regulation », J. Valton, C. Mathevon, M. Fontecave, V. Nivière, D.P. Ballou, J. Biol. Chem., 2008, 283, 10287-10296.

« From iron and cysteine to iron-sulfur clusters: the biosynthetic protein machineries », M. Fontecave, S. Ollagnier-de-Choudens, B. Py, F. Barras, Escherichia coli and Salmonella : cellular and molecular biology, 2008, Chapter 3.6.3.14. A. Böck, R. Curtiss III, J.B. Kaper, P.D. Karp, F.C. Neidhardt, T. Nyström, J.M. Slauch et C.L. Squires (ed.), EcoSal; ASM Press, Washington, D.C.

« New light on methylthiolation reactions », M. Fontecave, E. Mulliez, M. Atta, Chemistry and Biology, 2008, 15, 209-210.

« X-ray Structure of the [FeFe]-Hydrogenase Maturase HydE from Thermotoga maritima », Y. Nicolet, J.K. Rubach, M.C. Posewitz, P. Amara, C. Mathevon, M. Atta, M. Fontecave, J.C. Fontecilla-Camps, J. Biol. Chem., 2008, 283, 18861-18872.

« Hydrogen evolution catalyzed by {CpFe(CO)2}-based complexes », V. Artero, M. Fontecave, Comptes Rendus de l’Académie des sciences, 2008, 11, 926-931.

« A new polydendate ligand and catalytic properties of the corresponding ruthenium complex during sulfoxidation and alkene epoxidation », O. Hamelin, S. Ménage, F. Charnay, M. Chavarot, J.-L. Pierre, M. Fontecave, Inorg. Chem., 2008, 47, 6413‑6420.

« Efficient H2-producing photocatalytic systems based on cyclometalated iridium- and tricarbonylrhenium-diimine photosensitizers and cobaloxime catalysts », A. Fihri, V. Artero, A. Pereira, M. Fontecave, Dalton Trans., 2008, 5567-5569.

« The [4Fe-4S] cluster of Quinolinate Synthase from Escherichia coli : investigation of cluster ligands », C. Rousset, M. Fontecave, S. Ollagnier de Choudens, FEBS Letters, 2008, 582, 2937–2944.

« Combined NMR and DFT studies for the absolute configuration elucidation of the spore photoproduct, a UV-induced DNA lesion », C. Mantel, A. Chandor, D. Gasparutto, T. Douki, M. Atta, M. Fontecave, P.A. Bayle, J.M. Mouesca, M. Bardet, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 16978-16984.

« DNA repair and free radicals: New insights into the mechanism of spore photoproduct lyase revealed by single mutation », A. Chandor-Proust, O. Berteau, T. Douki, D. Gasparutto, S. Ollagnier-de-Choudens, M. Atta, M. Fontecave, J. Biol. Chem., 2008, 283, 36361-36368.

2009

54« The role of the maturase HydG in [FeFe]-hydrogenase active site synthesis and assembly », E. Pilet, Y. Nicolet, C. Mathevon, T. Douki, J. Fontecilla-Camps, M. Fontecave, Febs Letters, 2009, 583, 506-11.

« Synthesis, crystal structure, magnetic properties and reactivity of a Ni-Ru model of NiFe hydrogenases with a pentacoordinated triplet (S = 1) NiII center », Y. Oudart, V. Artero, L. Norel, C. Train, J. Pécaut, M. Fontecave, J. OrganoMet. Chem., 2009, 694, 2866-2869.

« Native E. coli SufA, co-expressed with SufBCDSE, purifies as a [2Fe-2S] protein and acts as an Fe-S transporter to Fe-S target enzymes », V. Gupta, M. Sendra, S.G. Naik, H.K. Chahal, B.H. Huynh, F.W. Outten, M. Fontecave, S. Ollagnier-de-Choudens, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6149-6153.

« Cyclopentadienyl Nickel-Ruthenium Catalysts for Biomimetic Hydrogen Evolution: Electrocatalytical properties and Mechanistic DFT Studies », S. Canaguier, L. Vaccaro, V. Artero, R. Ostermann, J. Pécaut, M.J. Field, M. Fontecave, Chem. Eur. J., 2009 (sous presse).

« Iron sulfur clusters in “Radical-SAM” enzymes: spectroscopy and coordination », S. Gambarelli, E. Mulliez, M. Fontecave, Biological Magnetic Resonance, 2009 (sous presse).

« The Zn center of the anaerobic ribonucleotide reductase from E. coli. », F. Luttringer, E. Mulliez, B. Dublet, D. Lemaire, M. Fontecave, J. Biol. Inorg. Chem., 2009, 14, 923–933.

« Snapshots of Dynamics in Synthesizing N6-isopentenyladenosine at tRNA Anticodon », S. Chimnaronk, F. Forouhar, J. Sakai, M. Yao, C.M. Tron, M. Atta, M. Fontecave, J.F. Hunt, I. Tanaka, Biochemistry, 2009, 48, 5057-5065.

« RNA-modifying metalloenzymes », M. Atta, M. Fontecave et E. Mulliez, DNA and RNA Modification Enzymes: Comparative Structure, Mechanism, Functions, Cellular, Interactions and Evolution, edited by Henri Grosjean, © 2009 Landes Bioscience.

« The CsdA cysteine desulfurase interacts with SufBCD proteins in Fe/S biogenesis and with CsdL (ex-YgdL), a ubiquitin-modifying like protein, in a new sulfur transfer pathway », V. Trotter, D.L Vinella, L. Loiseau, S. Ollagnier-de Choudens, M. Fontecave, F. Barras, Mol. Microbiol., 2009 (sous presse).

Brevets

55Novel Materials and their use for the electrocatalytic evolution or uptake of H2, V. Artero, M. Fontecave, S. Palacin, A. Le Goff, B. Jousselme, European patent application, 2008, EP-08 290 988.8.

Liste des conférences et séminaires invités (2008-2009)

En 2008

56Journées de Chimie de coordination-SFC, Dijon (28-29 janvier 2008), « Nouveaux complexes de Ruthénium : applications en catalyse rédox ».

Conférence-débat de l’Académie des sciences, Paris (1er avril 2008), « L’hydrogène, énergie du futur ? ».

Institut Universitaire de France, Grenoble (26 mai 2008), « Les défis de l’hydrogène : de l’eau, du soleil et des catalyseurs ».

Institut de Génomique, Génoscope, Evry (19 juin 2008), « Clusters Fer-Soufre et biocatalyse radicalaire : une chimie bio-inorganique fascinante ».

Second « Trends in enzymology » Conference, Saint-Malo (2-5 juillet 2008), « DNA repair and free radicals: the case of the spore photoproduct lyase, a Radical-SAM enzyme ».

GECO (Groupe d’Etudes de Chimie Organique) 49, Seillac (24-29 août 2008), « Flavin reductases and oxygen activation: applications in antibiotic biosynthesis and artificial nucleases ».

Eurobic 9, 9th European Conference on BioInorganic Chemistry, Wroclaw, Pologne (2-6 septembre 2008), « DNA repair and iron-sulfur clusters: the case of the spore photoproduct lyase, a Radical-SAM enzyme ».

SyCOCAL VI, Symposium en Chimie organique en Centre-Auvergne-Limousin, La Bourboule (21-24 septembre 2008), « L’hydrogène : de l’eau, du soleil et des catalyseurs ».

Académie des sciences, Paris (23 septembre 2008), « Fer et soufre : un mélange bio-inorganique très réactif ».

Centre de Recherche Servier, Croissy-sur-Seine (21 octobre 2008), « Chimie et Biologie : quelles sont les nouvelles frontières ? ».

Second International Conference on Vitamins, Coenzymes and Biofactors, University of Georgia, USA (26-31 octobre 2008), « Biosynthesis of mineral cofactors: the case of [Fe-S] clusters ».

CEFIPRA Indo-French meeting: Biohydrogen, from basic concepts to technology, Mussorie, Inde (6-9 novembre 2008), « Radical-SAM enzymes and maturation of hydrogenase ».

Conférence Louis Pasteur, ENS Paris (10 décembre 2008), « Fer et soufre, un mélange bioinorganique très réactif : des origines aux biocatalyseurs d’aujourd’hui ».

En 2009

57Nineteenth National Symposium on Catalysis, Pune, Inde (18-21 janvier 2009), « Hydrogenase-inspired catalysts for photoproduction of hydrogen ».

Journées de l’École Doctorale, Université Paris VI (21 janvier 2009), « L’hydrogène : de l’eau, du soleil et des catalyseurs ».

Lycée du Grésivaudan, Meylan, France (28 janvier 2009), « Chimie et Biologie : quelles sont les nouvelles frontières ? ».

Gordon Research Conference: Solar Fuels, Ventura, USA (31 janvier-5 février 2009), « From hydrogenase to bioinspired nanomaterials: Ni-based compounds and hydrogen production ».

EMBO-FEMS Workshop on Microbial Sulfur Metabolism, Tomar, Portugal (15-18 mars 2009), « A metal-escorted sulphur tour: from cysteine to sulfurated compounds ».

Conférence Internationale: From Synthetic Chemistry to Synthetic Biology, Collège de France, Paris (5 mai 2009), « Between biology and chemistry: bioinspired catalysis and synthesis ».

Club des industriels, Académie des sciences, Paris (12 mai 2009), « Quand le vivant inspire les chimistes : vers de nouveaux catalyseurs ».

Institut de Microbiologie de la Méditérranée, Marseille (2 juin 2009), « Hydrogène : de l’eau, du soleil et des catalyseurs ».

National Institute for Medical Research, Londres, Angleterre (25 juin 2009), « A metal-escorted sulphur tour: from cysteine to sulfurated compounds ».

Thèses soutenues en 2008 et 2009

58Alexia Chandor (co-direction M. Fontecave, M. Atta), « Réparation de l’ADN par une protéine “Radical-SAM” : étude de la spore photoproduct lyase ». Soutenue le 28 novembre 2008.

Carine Rousset (co-direction M. Fontecave, S. Ollagnier-de-Choudens), « Étude structurale et fonctionnelle de la quinolinate synthase : une protéine fer-soufre cible d’agents antibactériens ». Soutenue le 28 avril 2009.

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Notes

1 Mathevon C., Pierrel F., Oddou J.-L., Garcia-Serres R., Blondin G., Latour J.-M., Menage S., Gambarelli S., Fontecave M., Atta M., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2007, 104, 13295-13300.

2 Chandor A., Berteau O., Douki T., Gasparutto D., Sanakis Y., Ollagnier de Choudens S., Atta M. et Fontecave M., J. Biol. Chem., 2006, 281, 26922-26931.

3 Chandor-Proust A., Berteau O., Douki T., Gasparutto D., Ollagnier de Choudens O., Fontecave M. et Atta M., J. Biol. Chem. 2008, 283, 36361-36368.

4 Mantel C., Chandor-Proust A., Gasparutto D., Douki T., Atta M., Fontecave M., Bayle P., Mouesca J.-M., Bardet M., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 16978-16984.

5 Chandor A., Douki T., Gasparutto D., Gambarelli S., Sanakis Y., Nicolet Y., Ollagnier de Choudens S., Atta M. et Fontecave M., CRAS, 2007, 10, 756-765.

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27 Canaguier S., Artero V., Vaccaro L., Ostermann R., Pécaut J., Field M., Fontecave M., Chem. Eur. J., 2009, in press.

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29 Baffert C., Artero V., Fontecave M., Inorg. Chem., 2007, 46, 1817-1824.

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31 Fihri A., Artero V., Pereira A., Fontecave M., Dalton trans., 2008, 5567-5569.

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Titre Figure 1 : Activation et fonctionnalisation de liaisons C-H : (A) oxydation catalysée par la monooxygénase MiaE ; (B) MiaB et SP Lyase, deux enzymes fer-soufre de la famille « Radical-SAM »
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Titre Figure 2 : Représentation schématique du système SUF
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Titre Figure 3 : La quinolinate synthase d’A. thaliana : une association d’un domaine catalytique contenant un centre Fe-S (NadA) et d’un domaine impliqué dans l’assemblage du fer-soufre (SufE)
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Titre Figure 4a : le centre binucléaire à fer des [Fe-Fe]-hydrogénases
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Titre Figure 4b : mécanisme de biosynthèse du pont azadithiolate
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Titre Figure 5 : Structure du site actif de SOR dans son état Fe(III)-peroxyde, résolution de 1,95 Å (Science, 2007).
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Titre Figure 6 : un exemple de catalyseur Ni-Ru
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Titre Figure 7A : Structure d’un photocatalyseur supramoléculaire contenant une cobaloxime.B : Représentation d’un nanotube de carbone fonctionnalisé avec un catalyseur bio-inspiré à base de nickel.
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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 109e année, Collège de France, Paris, mars 2010, p. 169-192. ISBN 978-2-7226-0083-6

Référence électronique

Marc Fontecave, « Chimie des processus biologiques », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 109 | 2010, mis en ligne le , consulté le 27 mai 2016. URL : http://annuaire-cdf.revues.org/259

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Auteur

Marc Fontecave

Membre de l’Institut (Académie des sciences), professeur au Collège de France

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