Inspiration tirée des enzymes microbiennes pour la chimie et la biotechnologie

Les microbes sont d’étonnants chimistes. Ils réalisent des réactions complexes à un rythme soutenu, à température et pression normales, en utilisant de l’énergie biochimique (par exemple, l’hydrolyse de l’ATP ou le flux d’électrons). Plus intéressant encore, la vie utilise des métaux abondants sur Terre pour mener à bien ces réactions enzymatiques, contrairement aux métaux coûteux et rares utilisés dans l’industrie. Les enzymes microbiennes servent donc de modèles aux chimistes, inspirant la conception de catalyseurs sur mesure destinés à alimenter les technologies dont notre société moderne a un besoin urgent.
Dans cet axe de recherche, nous observons les (métallo)enzymes en action afin de déchiffrer leurs mécanismes moléculaires, qui pourraient constituer des avancées majeures pour les chimistes (par exemple, une enzyme formant de l’H₂, une nanomachine capturant le CO₂…), ou expliquer/améliorer les principes moléculaires fondamentaux des industries biotechnologiques (par exemple, la synthèse des isoprénoïdes, les processus de dégradation dans le traitement des eaux usées…).

Pour ne citer qu’un exemple récent, nous avons élucidé la structure de complexes enzymatiques clés impliqués dans la transformation microbienne de gaz résiduaires industriels en éthanol, un biocarburant. Notre première cible était l’enzyme de traitement du CO, appelée complexe CO-déshydrogénase/acétyl-CoA synthase, qui génère un pouvoir réducteur à partir de l’oxydation du CO (c’est-à-dire de la ferrédoxine réduite) tout en produisant un élément constitutif de la cellule : l’acétyl-CoA. Les différentes structures cristallographiques, complétées par une caractérisation biochimique, ont révélé une réorganisation étonnante du complexe, permettant une réaffectation des canaux de CO, ce qui pourrait augmenter la diffusion du gaz et ainsi améliorer sa capture. Des expériences de cryo-microscopie électronique menées dans des conditions de renouvellement ont permis de capturer les différentes conformations du complexe CO-déshydrogénase/acétyl-CoA synthase et ont fourni un film moléculaire du cycle catalytique de production de l’acétyl-CoA. La deuxième cible était les enzymes impliquées dans la conversion de l’acétate en éthanol, qui aurait été catalysée par une acétaldéhyde ferrédoxine oxydoréductase (AFOR, convertissant l’acétate en acétaldéhyde) et une éthanol déshydrogénase (convertissant l’acétaldéhyde en éthanol). Cette hypothèse était controversée, car la réduction de l’acétate est un processus hautement endergonique qui ne permettrait pas une production à haut débit in vivo. En isolant et en caractérisant l’AFOR, nous avons découvert que cette enzyme dépendait strictement de la ferrédoxine native pour retrouver sa pleine activité. Ensuite, grâce à un couplage enzymatique in vitro, nous avons compris que le pouvoir réducteur de l’oxydation du CO entraînait la première réaction, thermodynamiquement défavorable, permettant ainsi une production robuste d’éthanol.

Publications sélectionnées

  • Lemaire ON#, Belhamri M, Schevchenko A, Wagner T#. Carbon monoxide-driven bioethanol production operates via a tungsten-dependent catalyst. Nat. Chem. Biol. doi : 10.1038/s41589-025-02055-3
  • Jespersen M*, Lorent C*, Lemaire ON, Zebger I, Wagner T#. Structural and spectroscopic insights into catalytic intermediates of a [NiFe]-hydrogenase from group 3. ChemBioChem. 2025. doi : 10.1002/cbic.202500692
  • Yin MD*, Lemaire ON*, Rosas Jiménez JG, Belhamri M, Shevchenko A, Hummer G#, Wagner T#, Murphy BJ#. Snapshots of acetyl-CoA synthesis, the final step of CO2 fixation in the Wood-Ljungdahl pathway. Science. BioRxiv doi : 10.1101/2024.08.05.606187
  • Lemaire ON, and Wagner T#. An all-in-one CO2 capture and transformation : lessons from formylmethanofuran dehydrogenases. Account of Chemical Research. 2024. doi : 10.1021/acs.accounts.4c00623
  • Sahin S*, Lemaire ON*, Belhamri M, Kurth JM, Welte CU, Wagner T#, Milton RD#. Bioelectrocatalytic CO2 Reduction by Mo-Dependent Formylmethanofuran Dehydrogenase. Angew Chem Int Ed Engl. 2023. doi : 10.1002/anie.202311981.
  • Lemaire ON, Wagner T#. Gas channel rerouting in a primordial enzyme : Structural insights of the carbon-monoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase complex from the acetogen Clostridium autoethanogenum. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 2021. doi : 10.1016/j.bbabio.2020.148330.
  • Lemaire ON, Jespersen M, Wagner T#. CO2-fixation strategies in energy extremophiles : What can we learn from homoacetogens ? Front. Microbiol. 2020. doi : 10.3389/fmicb.2020.00486.
  • Wagner T, Ermler U, Shima S. Formyl-methanofuran dehydrogenase. Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2018. Book chapter.
  • Vögeli B, Shima S, Erb TJ, Wagner T#. Crystal structure of archaeal HMG-CoA reductase : insights into structural changes of the C-terminal helix of the class-I enzyme. FEBS Lett. 2019. doi : 10.1002/1873-3468.13331.
  • Vögeli B, Engilberge S, Girard E, Riobé F, Maury O, Erb TJ, Shima S, Wagner T#. Archaeal acetoacetyl-CoA thiolase/HMG-CoA synthase complex channels the intermediate via a fused CoA-binding site. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2018. doi : 10.1073/pnas.1718649115.

External collaborations

  • Prof. Dr. Ross Milton (Geneva University)
  • Dr. Ingo Zebger (TU Berlin)