Mieux prédire l'activité d'enzymes Fe-S dans un organisme hôte procaryote non-natif

Publié par Isabelle le 13/05/2022 à 13:00
Source: CEA IRIG

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Les clusters fer-soufre (Fe-S) jouent des rôles irremplaçables dans de nombreux processus métaboliques et de régulation. Ils sont construits et distribués aux protéines Fe-S par des réseaux protéiques dédiés. Par des approches de bioinformatique, de phylogénie, de microbiologie (La microbiologie est une sous-discipline de la biologie basée sur l'étude des...) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) et de biochimie (La biochimie est la discipline scientifique qui étudie les réactions chimiques ayant lieu...), des chercheurs de l'Irig ont étudié de façon systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) les éléments qui très souvent rendent les protéines Fe-S inactives en dehors de leur espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) hôte native.

Les enzymes fer-soufre (Fe-S) ont un énorme potentiel encore largement inexploité en biotechnologie (L’OCDE définit la biotechnologie comme « l’application des principes...). Elles sont essentielles pour la biosynthèse d'une grande variété de produits naturels de valeur, tels que les biocarburants, les antifongiques, antibactériens et anticancéreux (Un anticancéreux est un médicament permettant de lutter contre le cancer). Malheureusement, la dépendance des enzymes Fe-S à l'égard de leur cofacteur limite souvent leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) catalytique. Ce problème crée des goulots d'étranglement dans les voies de biosynthèse qui en dépendent. Pire encore, la plupart des enzymes Fe-S présentent une activité faible ou nulle en dehors de leur hôte d'origine, notamment lorsqu'elles sont exprimées dans un [i]organisme hétérologue
, ce qui exclut leur production par de nombreuses voies de biosynthèse. Dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) de bio-ingénierie, ces obstacles sont en général surmontés. Cependant, même s'il est possible d'exprimer des enzymes hétérologues, il est difficile de garantir le maintien de leur activité. Ainsi, le potentiel des enzymes Fe-S ne peut être pleinement exploité que si nous sommes en mesure de les exprimer de façon routinière sous forme active au sein d'espèces hétérologues.

Des chercheurs de l'Irig [collaboration], ont étudié de façon systématique chez Escherichia coli la compatibilité des machineries procaryotes d'assemblages des clusters Fe-S (Figure) avec des enzymes Fe-S non-natives, par des approches de bioinformatique, de phylogénie, de microbiologie à grande échelle et de biochimie. Ils se sont intéressés à plusieurs enzymes Fe-S impliquées dans des voies métaboliques de synthèse de composés naturels valorisables (vitamine, biocarburant (Un biocarburant ou agrocarburant est un carburant produit à partir de matériaux...), antibiotique).

Cette étude systématique a permis d'identifier plusieurs facteurs affectant l'activité des enzymes Fe-S hétérologues: la sensibilité à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), l'incompatibilité avec la machinerie de biogenèse des clusters Fe-S de l'hôte et l'incompatibilité avec les protéines de transfert d'électrons de l'hôte. En utilisant des collections d'orthologues d'enzymes Fe-S représentatives de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de la diversité procaryote (Le terme « procaryote » (Prokaryota ou Prokarya), du grec pro (avant) et caryon...), les chercheurs ont découvert une corrélation frappante entre la distance phylogénétique et la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) qu'aura une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...) Fe-S à être exprimée de façon fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....). Ils ont également trouvé que l'expression conjointe d'une voie de biogenèse des Fe-S hétérologues augmente l'éventail phylogénétique des orthologues qui peuvent être supportés par l'hôte étranger. Enfin, ils ont constaté que les enzymes Fe-S qui nécessitent des protéines de transfert d'électrons spécifiques pour être actives sont rarement exprimées de manière fonctionnelle à moins que leurs partenaires réducteurs spécifiques ne soient identifiés et co-exprimés.


Deux exemples de clusters Fe-S.
Clusters 2[Fe-2S] et [4Fe-4S].

Les chercheurs ont appliqué ces principes pour améliorer l'activité d'une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant...) Fe-S de la bactérie Streptomyces, impliquée dans la voie de biosynthèse d'un antibiotique (Un antibiotique (du grec anti : « contre », et bios : « la...), quand celle-ci est exprimée dans Escherichia coli. Ils ont notamment identifié une protéine de transfert d'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) spécifique permettant d'augmenter l'activité de l'enzyme Fe-S d'un facteur 10, et les bases moléculaires de cette spécificité ont été identifiées.

L'ensemble de ce travail clarifie la façon dont la sensibilité à l'oxygène et les incompatibilités avec les machineries étrangères d'assemblage des centres Fe-S et de transfert d'électrons entravent les activités de protéines Fe-S hétérologues. Il montre combien l'identification de protéines de transfert d'électrons compatibles et de voies de biogenèse Fe-S hétérologues s'avère essentielle pour l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) de voies métaboliques fonctionnelles dépendantes d'enzymes Fe-S.

Notes:

- Un cofacteur est un composé chimique non protéique qui est nécessaire à l'activité biologique d'une protéine. Lorsque cette protéine est une enzyme, le cofacteur intervient dans la réaction catalytique.

- Les clusters fer-soufre (Fe-S) sont des cofacteurs inorganiques composés d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) et de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (Figure). Ils sont présents au sein des protéines auxquelles ils confèrent de nombreuses fonctions biologiques telles que le transfert d'électron, la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) de l'expression des gènes, la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...),... Les clusters Fe-S sont construits et distribués aux protéines et enzymes Fe-S via des machineries multiprotéiques complexes. Les composants essentiels de ces machineries sont largement conservés et très polyvalents.

- Organisme hétérologue: organisme utilisé pour produire une protéine mais qui ne correspond pas à l'organisme d'origine.

- Orthologue. Gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) (ou protéine) commun à différentes espèces, provenant d'un même gène ancestral et ayant conservé une structure et une fonction identiques au cours de l'évolution.

Références:
D'Angelo F, Fernández-Fueyo E, Garcia PS, Shomar H, Pelosse M, Manuel RR, Büke F, Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de...) S, van den Broek N, Duraffourg N, de Ram C, Pabst M, Bouveret E, Gribaldo S, Py B, Ollagnier de Choudens S, Barras F and Bokinsky G
Cellular assays identify barriers impeding iron-sulfur enzyme activity in a non-native prokaryotic host.
eLife, 2022.
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