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Les Enzymes Adaptées au Froid
Introduction : Extrêmozymes :
Enzymes de l’extrême:
Les enzymes sont des protéines bio catalytiques qui accélèrent la vitesse des réactions biologiques de 106 à 1023 fois par rapport aux réactions non catalysées. Un certain nombre d’enzymes ont été isolées d’organismes pour une variété de processus industriels et pour la recherche scientifique. Glucose isomérase, amylase, lipase et les protéases sont utilisé dans une variété de nourriture, boissons, savon et dans l’industrie du détergent, tandis que, Taq polymérase, T4 lysozyme, ribonucléase et malate déshydrogénase sont des enzymes utilisées dans les laboratoires de recherche.
Enzymes via extremozymes : propriétés structurales:
Les différences structurelles entre les protéines d’extrêmophiles et ceux de mésophiles sont souvent subtiles. Cela n’est pas surprenant, étant donné que les mêmes acides aminés et les forces intramoléculaires sont utilisés dans la construction des protéines, peu importe dans quel environnement un organisme vit. Un équilibre précis entre les interactions hydrophobes, hydrostatiques et covalentes, doivent être maintenues pour une enzyme à fin de rester active dans les conditions extrêmes. En plus du maintien de la stabilité, une enzyme doit conserver sa conformation active, et rester assez flexible pour se lier aux substrats et cofacteurs et effectuer sa fonction désignée. Ainsi, même si une enzyme puisse survivre à une exposition aux conditions dures, elle peut présenter peu ou pas d’activité dans ces conditions. Cette distinction est importante dans les applications industrielles dans lesquelles les conditions de fonctionnement peuvent varier; les conditions doivent permettre à l’enzyme de rester assez actives pour respecter les exigences du processus, mais pas d’excéder la limite supérieure de la stabilité de l’enzyme.
Biotechnologie des extrêmozymes:
La découverte des polymérases d’ADN thermostables et leur impact sur la recherche, la médecine, et l’industrie a souligné les avantages potentiels d’enzymes d’environnements extrêmes . Depuis ce temps, la demande biotechnologique et industrielle d’enzymes stables fonctionnant dans des conditions opérationnelles dures a fortement augmenté. Beaucoup d’effort actuel vise à examiner pour les nouvelles sources, de nouvelles enzymes capables de fonctionner dans des conditions extrêmes. Le développement parallèle d’outils de biologie moléculaires sophistiqués a aussi permis la conception d’enzymes avec de nouvelles propriétés utilisant des techniques comme la mutagenèse dirigée, le réarrangement génétique, l’évolution dirigée, les modifications chimiques et l’immobilisation.
Les Enzymes Adaptées au Froid :
Synthèse Bibliographique:
La biosphère de la terre est principalement froide et de manière permanente exposée aux températures en dessous de 5°C. Une telle température moyenne basse, résulte principalement du fait que 71 % de la surface de la terre est couverte par les océans, qui ont une température constante de 2-4°C en dessous de 1000 m de fond, sans tenir compte de la latitude.Les régions polaires comptent pour un autre 15 %, auxquels le glacier et les régions alpines doivent être ajoutés aussi bien que le permafrost, représentant plus de 20 % de sols terrestres. Bien qu’inhospitaliers, tous ces biotopes basse température ont été avec succès colonisés par une large diversité de microbes et incluent les représentants des bactéries, Eucarya et Archaea. La plupart des micros organismes isolés d’environnements froids sont soit des psychrotolérants (aussi nommé psychrotrophes) ou des psychrophiles. Les organismes psychrotolerants se développent bien aux températures près du point de congélation de l’eau, mais ont les taux de croissance les plus rapides en dessus 20°C, tandis que les organismes psychrophiles deviennent les plus rapides à une température de 15°C ou plus bas, mais ne peuvent pas grandir en dessus de 20°C.
La vie dans les environnements froids exige un large éventail de caractéristiques adaptatives à presque tous les niveaux de l’architecture et de la fonction cellulaire. Cependant, un déterminant clé de ces adaptations se trouve dans la fonction de la protéine qui conduit le métabolisme microbien et le cycle cellulaire. Les études antérieures de psychrophiles au niveau moléculaire ont été principalement concentrées sur des enzymes actives à froid parce que cet aspect a été considéré comme un pré requis à l’adaptation environnementale. On a montré que le haut niveau de l’activité spécifique aux températures basses des enzymes adaptées au froid, est une adaptation clé pour compenser la diminution exponentielle dans les vitesses des réactions chimiques, quand la température est abaissée. Une telle activité bio catalytique élevée résulte de la disparition des interactions de stabilisation non-covalentes diverses, aboutissant à une flexibilité améliorée de la conformation de l’enzyme.
Méthodes de Calcul:
La dynamique conformationnelle des protéines est codée dans leurs structures et est souvent un élément critique de leur fonction. Une appréciation fondamentale sur la manière dont les protéines travaillent exige donc une compréhension du lien entre la structure tridimensionnelle, obtenue avec une rapidité croissante par la cristallographie radiographique RX et la RMN, et la dynamique, qui est beaucoup plus difficile à explorer expérimentalement. Les simulations de dynamique moléculaires fournissent les liens entre la structure et la dynamique en permettant l’exploration du paysage d’énergie conformationnelle accessible aux molécules de protéine.
La première simulation de dynamique moléculaire d’une protéine a été rapportée en 1977 et comprenait une trajectoire de 9.2 ps pour une petite protéine dans le vide [9] . Ce temps correspond à l’âge de la simulation, il traduit la longueur temporelle de la trajectoire sur des pas de temps (pas d’intégration de l’ordre de 1.0E-15 s (1.0 femto seconde). Onze années plus tard, une simulation de 210 ps de la même protéine dans l’eau a été rapportée [10], et l’augmentation phénoménale de la puissance de calcul depuis lors, permet désormais de réaliser des simulations de protéines beaucoup plus grandes, et qui sont 1 000 à 10 000 fois plus longues que la simulation originelle (~10-100 ns), dans laquelle la protéine est entourée par l’eau et le sel. Des améliorations significatives des fonctions de potentiel ont aussi été réalisées, rendant les simulations beaucoup plus stables et précises.
Energie et forces: L’ensemble des formes de potentiels utilisées pour décrire les interactions entre atomes, ainsi que les valeurs des paramètres définissant ces potentiels, forment ce que l’on appelle le champ de force de la modélisation. Plusieurs familles de champs de force existent à l’heure actuelle, pour les biomolécules :
– les champs de force Parmxx associés au logiciel AMBER.
– les champs de force Charmxx associés au logiciel CHARMM.
– le champ de force associé au logiciel GROMOS.
Paramétrisation du champ de force: Les paramètres géométriques des potentiels entre atomes liés ont été fixés à partir des mesures effectuées dans des structures cristallographiques, et les valeurs de constantes de force définissant le potentiel sont déterminées à partir des fréquences de vibration des molécules.
Description du solvant: L’eau joue un rôle très important dans la structure et la dynamique des édifices bio macromoléculaires. On a cherché à déterminer des paramètres en donnant une description, à la fois la plus précise possible, et la plus efficace en termes de temps de calcul. Les deux modèles les plus utilisés en biochimie sont SPC (Single Point Charge) et TIP3P (Transferable lntermolecular Potential 3 Points) ; ils ont des caractéristiques très similaires. La molécule d’eau est modélisée à l’aide de trois potentiels harmoniques de liaison covalente, entre l’oxygène et chacun des deux hydrogènes, et entre les deux hydrogènes, ainsi qu’un potentiel d’angle de valence (H-0-H). Il y a trois sites d’interactions pour les interactions électrostatiques: les charges positives partielles sur les hydrogènes sont exactement contre balancées par une charge négative sur l’oxygène. Les interactions de Van der Waals entre deux molécules d’eau sont calculées en utilisant une fonction de Lennard-Jones avec un seul point d’interaction centré sur l’atome d’oxygène. L’aspect hautement polarisable de la molécule d’eau rend cette dernière très difficile à modéliser. Des travaux récents ont entrepris des études comparatives sur la complexité du modèle de l’eau.
Dynamique Moléculaire de l’Effet de la Température Sur la Paire d’Enzyme VsEndA et VcEndA:
La température est l’un des facteurs environnementaux les plus importants pour la vie, et la clarification des mécanismes d’adaptation à différentes conditions de température sont d’importance cruciale à la fois pour la recherche fondamentale , ainsi que pour les applications industrielles qui visent à développer de nouveaux biocatalyseurs, actifs dans différentes gammes de températures.
Le choix des psychrophiles non-marins (d’eau douce) comme objectif d’étude est proposé comme solution [17]. L’interaction entre les deux types d’adaptation est, cependant, intéressante en soi, et il est possible de concevoir des expériences d’une manière qui facilite la séparation des deux effets. Les premiers pas vers cette approche ont été pris. Dans une étude comparative de l’Endonuclease I psychrophile marine et mésophile estuarienne (VsEndA et VcEndA, respectivement) [18], les optimums différents de sel des deux enzymes ont été pris en considération quand les propriétés enzymatiques dépendantes de la température ont été caractérisées. Dans la discussion, les auteurs ont souligné l’importance des mesures effectuées dans les solutions tampons qui étaient aussi physiologiques que possibles.
Conclusion Générale:
Nous avons effectué des simulations de dynamique moléculaire avec un traitement explicite du solvant et du sel, sur une paire d’enzyme Endonucléase I ; Vibrio Salmonicida et Vibrio Cholerae, à fin d’étudier leur propriétés structurales, et par la suite fournir plus d’informations sur leur activité catalytique. Nous avons étudié plus particulièrement deux facteurs importants pouvant influencer l’activité catalytique de l’enzyme ; la température et la concentration en sel NaCl. A propos de l’enzyme adaptée au froid Vibrio Salmonicida Endonucléase I la localisation péri plasmique ou extracellulaire de cette enzyme lui permet de s’adapter aux concentrations élevées en sel NaCl (par rapport à son homologue mésophile) par l’augmentation du nombre des résidus positivement chargés sur la surface de l’enzyme.
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Table des matières
Introduction générale : Extrêmozymes ; Enzymes de l’extrême
Structure et stabilité des enzymes
Température et vie
Enzymes via extrêmozymes : propriétés structurales
Biotechnologie des extrêmozymes
Références bibliographiques
Chapitre I : Les Enzymes Adaptées au Froid : Synthèse Bibliographique
Introduction
Le défi de la température basse
Fonction d’enzyme dans les systèmes à faible activité de l’eau
L’activité adaptée au froid
Thermolabiles et enzymes instables
Le Concept de la flexibilité
La flexibilité globale contre la flexibilité locale
La dynamique du site actif
L’écart adaptatif et l’optimisation adaptative de l’affinité du substrat
Énergétique de l’activité à froid
Optimiser l’électrostatique comme stratégie de l’adaptation au froid
La stabilité conformationnelle des enzymes psychrophiles
Études micro calorimétriques
L’origine structurale de la basse stabilité
Interactions Hydrophobes
L’hydrophobie du cœur
L’hydrophobie de la surface
L’hydrophilie de surface
Interactions Électrostatiques
Liaisons hydrogène
Interactions induites par l’arginine
Interactions aromatiques
Ponts salins/ Éléments de la structure secondaire
Boucles de la surface
Autres facteurs
Relation entre l’activité, la flexibilité, et la stabilité
Aperçus expérimentaux
L’évolution dirigée
Exceptions Notables
Les enzymes psychrophiles en Biotechnologie
La thermolabilité dans la biologie moléculaire
L’activité à basse température
Nouvelles spécificités dans les enzymes psychrophiles
Autres protéines psychrophiles en biotechnologie
Références bibliographiques
Chapitre II : L’enzyme Adaptée au Froid : Endonucléase I
Introduction
Similarité des séquences et composition
Propriétés enzymatiques
La dépendance en sel
pH optimal
La dépendance en température
Etude cinétique
Energie d’activation
Stabilité thermique
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre III : Méthodes de Calcul
Introduction
Energie et forces
Potentiels d’énergie entre atomes liés et voisins
Potentiels d’énergie entre atomes non liés
Paramétrisation du champ de force
Description du solvant
Calcul d’une trajectoire de dynamique moléculaire
Equations
Calcul de la trajectoire / Traitement des limites du système et les conditions périodiques
Paramètres thermodynamiques
Contrôle de la température
Contrôle de la pression
Calcul des forces électrostatiques : Sommation d’Ewald
Construction du système
Analyse des trajectoires
RMSD
RMSF
RDF
La durée de vie des liaisons hydrogène
Références bibliographiques
Chapitre IV : Dynamique Moléculaire de l’Effet de Sel sur l’Enzyme Psychrophile
Vibrio Salmonocida Endonucléase I (VsEndA)
Introduction
Objectif du chapitre
Résultats
Stabilité structurale
Flexibilité structurale
Les fonctions de distribution radiales
Nombre des contacts
Durée de vie des liaisons hydrogène
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre V : Dynamique Moléculaire de l’Effet de Sel sur l’Enzyme Mésophile Vibrio
Cholérae Endonucléase I (VcEndA)
Introduction
Objectif du chapitre
Résultats
Stabilité du modèle
Flexibilité structurale
Les fonctions de distribution radiales
Durée de vie des liaisons hydrogènes
Conclusion
Chapitre VI : Dynamique Moléculaire de l’Effet de la Température Sur la Paire
d’Enzyme VsEndA et VcEndA
Introduction
Objectif du chapitre
Résultats
Stabilité structurale globale
Flexibilité structurale
Fonctions de distribution radiales
RDF de l’enzyme VsEndA
RDF de l’enzyme VcEndA
Durée de vie des liaisons hydrogène
L’enzyme psychrophile VsEndA
L’enzyme mésophile VcEndA
Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale
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