Academic literature on the topic 'Métalloenzyme artificiel'

Les catalyseurs hétérogènes sont aujourd’hui'hui largement développés afin d'obtenir une meilleure stabilité, une meilleure réutilisation ainsi qu'une meilleure localisation. Dans cette optique, nous avons d'abord préparé des catalyseurs hétérogènes à base d'enzymes par l'immobilisation d’une laccase d'origine fongique contenant seulement deux lysines de surface spatialement proches (K40, K71) ainsi que deux de ses variants contenant une lysine unique -une située à proximité du site d'oxydation du substrat (K157) et une à l'opposé de ce site d'oxydation (K71)- dans des mousses de silice de type Si(HIPE) à porosités contrôlées. L'immobilisation a été réalisée par liaison covalente entre l'enzyme et la mousse activée à faible teneur en glutaraldéhyde. En testant la décoloration de colorants dans un réacteur à flux continu, nous montrons que l'activité du catalyseur hétérogène est comparable à son homologue homogène. Son activité opérationnelle reste aussi élevée que 60 % après douze cycles de décoloration consécutifs et un an de stockage. Plus important encore, en comparant les activités sur différents substrats pour des catalyseurs orientés différemment, nous montrons une discrimination double pour l'ABTS par rapport à l'ascorbate. Par ailleurs, les métalloenzymes artificielles peuvent utiliser les avantages des catalyseurs métalliques et enzymatiques pour réaliser une oxydation aérobie de manière durable. Nous avons donc immobilisé un complexe Pd(II) à base de biquinoline et une laccase dans des monolithes de silice pour l'oxydation de l'alcool veratrylique. Afin de contrôler la réactivité, trois méthodes d'immobilisation ont été utilisées pour la construction de ces catalyseurs hybrides hétérogènes. Les catalyseurs hybrides immobilisés présentent une activité améliorée par rapport au complexe de Pd immobilisé seul pour chaque méthode testée, attestant de la synergie entre le Pd et la laccase. En modulant l'orientation de l'enzyme vers le complexe de Pd(II) et la mousse de silice, nous montrons que l'activité de l'hybride de Pd(II)/UNIK157 est en moyenne deux fois plus importante que celle de Pd(II)/UNIK71. Une bonne stabilité et réutilisation est observée quel que soit l'orientation de l'enzyme. Cette étude donne un aperçu de l'utilisation de supports solides qui au-delà de permettre la stabilité et la réutilisation deviennent des partenaires synergiques dans le processus catalytique
Heterogeneous catalysts are now widely developed to obtain improved stability, reusability, and localization. In this view, we first prepared the enzyme-based heterogeneous catalysts by the immobilization of a fungal laccase containing only two spatially close surface lysines (K40, K71) and its variants containing a unique lysine -one located in the vicinity of the substrate oxidation site (K157) and one at the opposite side of this oxidation site (K71)- into Si(HIPE) type silica foams bearing controlled porosities. Immobilization was achieved by a covalent bond forming reaction between the enzyme and the low glutaraldehyde activated foam. Testing dye decolorization in a continuous flow reactor, we show that the activity of the heterogeneous catalyst is comparable to its homogeneous counterpart. Its operational activity remains as high as 60 % after twelve consecutive decolorization cycles and one-year storage. More importantly, comparing activities on different substrates for differentially oriented catalysts, we show a two-fold discrimination for ABTS relative to ascorbate. In addition, artificial metalloenzymes can use the advantages of both metallic and enzymatic catalysts to perform aerobic oxidation in a sustainable fashion. We thus co-immobilized a biquinoline-based-Pd(II) complex and laccase into silica monoliths for veratryl alcohol oxidation. To address the control of reactivity, three methods of immobilization were used for the construction of the heterogeneous hybrid catalysts. The immobilized hybrid catalysts show an improved activity compared to the immobilized Pd complex alone for each tested method, attesting for the synergy between Pd and laccase. By tuning enzyme orientation towards Pd(II) complex and silica foam, we show that the activity of the Pd(II)/UNIK157 hybrid exhibits an averaged two-fold increase compared to Pd(II)/UNIK71. A good stability and reusability is observed for both enzyme orientations. This study provides insights into the use of solid supports that beyond allowing stability and reusability becomes synergistic partners in the catalytic process

Dans l’industrie chimique, de nombreux composés organiques sont issus d’étapes d’oxydation, pouvant être énantiosélectives et mettant en jeux des conditions dangereuses et polluantes, comme par exemple l’emploi du tétraoxide d’osmium comme oxydant. Dans un souci de respect de l’environnement, il est alors nécessaire de repenser les procédés de synthèse vers un développement de la chimie verte et durable.Dans cet objectif, mes travaux de thèse consistent à développer des nouveaux catalyseurs d’oxydation de molécules organiques en rassemblant les mondes de la catalyse inorganique et de la biocatalyse par la conception de Métalloenzymes artificielles. Ces hybrides catalytiques développés en ancrant un complexe inorganique au sein d’une protéine hôte permettent ainsi des catalyses d’oxydation de façon douce et propre. Premièrement, nous avons développé et caractérisé une métalloenzyme artificielle à centre ruthénium (II) scorpionnate ancrée dans la protéine bactérienne NikA. Nous nous sommes ensuite intéressés à sa réactivité en oxydation asymétrique d’alcène en milieu aqueux en présence de diacétate d’iodobenzène. Ceci a permis de mettre en évidence une activité singulière de l’hybride par la formation de de produit d’oxydation de type chlorhydrine. Enfin, l’énantiosélèctivité de cette activité catalytique a été étudiée en fonction d’un panel de substrat et de l’influence de la cavité protéique.Dans un second temps mes travaux de thèses ont consisté à concevoir et caractérisé une nouvelle oxygénase artificielle FeLn (III)-NikA. La seconde étape fut ensuite de vérifier la capacité de cet hybride catalytique à activer l’oxygène moléculaire en présence de réducteur, Puis d’étudier son aptitude à le transférer à un substrat exogène en condition de catalyse d’oxydation d’alcène aromatique. En parallèle, nous avons développé un système de réduction photocatalytique associé à cette nouvelle métalloenzyme artificielle sous apport de source lumineuse bleue et en présence de photosensibilisateur (chlorure de ruthénium (II) ) couplé à un donneur d’électron sacrificiel (triéthanolamine)
Dans l’industrie chimique, de nombreux composés organiques sont issus d’étapes d’oxydation, pouvant être énantiosélectives et mettant en jeux des conditions dangereuses et polluantes, comme par exemple l’emploi du tétraoxide d’osmium comme oxydant. Dans un souci de respect de l’environnement, il est alors nécessaire de repenser les procédés de synthèse vers un développement de la chimie verte et durable.Dans cet objectif, mes travaux de thèse consistent à développer des nouveaux catalyseurs d’oxydation de molécules organiques en rassemblant les mondes de la catalyse inorganique et de la biocatalyse par la conception de Métalloenzymes artificielles. Ces hybrides catalytiques développés en ancrant un complexe inorganique au sein d’une protéine hôte permettent ainsi des catalyses d’oxydation de façon douce et propre. Premièrement, nous avons développé et caractérisé une métalloenzyme artificielle à centre ruthénium (II) scorpionnate ancrée dans la protéine bactérienne NikA. Nous nous sommes ensuite intéressés à sa réactivité en oxydation asymétrique d’alcène en milieu aqueux en présence de diacétate d’iodobenzène. Ceci a permis de mettre en évidence une activité singulière de l’hybride par la formation de de produit d’oxydation de type chlorhydrine. Enfin, l’énantiosélèctivité de cette activité catalytique a été étudiée en fonction d’un panel de substrat et de l’influence de la cavité protéique.Dans un second temps mes travaux de thèses ont consisté à concevoir et caractérisé une nouvelle oxygénase artificielle FeLn (III)-NikA. La seconde étape fut ensuite de vérifier la capacité de cet hybride catalytique à activer l’oxygène moléculaire en présence de réducteur, Puis d’étudier son aptitude à le transférer à un substrat exogène en condition de catalyse d’oxydation d’alcène aromatique. En parallèle, nous avons développé un système de réduction photocatalytique associé à cette nouvelle métalloenzyme artificielle sous apport de source lumineuse bleue et en présence de photosensibilisateur (chlorure de ruthénium (II) ) couplé à un donneur d’électron sacrificiel (triéthanolamine)

Les nouveaux aspects économiques et écologiques de la chimie moderne (à savoir la gestion des déchets, l’économie d’atome) font de la réduction de liaisons polarisées C=X (X = O, N) catalysée par des complexes organométalliques, une réaction importante en chimie organique. De plus, ces complexes permettent le contrôle de la stéréo-, régio- et chimiosélectivité de ces réactions. Les complexes de fer tricarbonyle à ligand cyclopentadiènone ont montré ces dernières années une excellente réactivité pour les hydrogénations de liaisons C=O et C=N. Grâce à de précédents travaux réalisés au laboratoire, nous avons envisagé l’approche de ces réductions polarisées via l’utilisation de métalloenzymes artificielles incorporant un complexe de fer cyclopentadiènone. Parallèlement à cette étude, une optimisation des performances catalytiques de complexes de fer a été réalisée et a permis de développer l’alkylation de cétones par les alcools, la méthylation d’amines par le méthanol et la réduction de liaisons C=C pour les cétones ,-insaturées. Enfin, grâce à un nouveau complexe aminocyclopentadiènyle de fer, les réactions d’amination réductrice étudiées précédemment au laboratoire ont pu être améliorées
Environmental and economic concerns within modern chemistry (waste management, atom economy), lead metal-catalyzed reduction of polarized C=X bonds (X= O, N) with organometallic complexes an important reaction in organic chemistry. Additionally, stereo-, regio- and chemoselective reductions can be involved in organometallic catalysis. In the past decade, cyclopentadienone iron tricarbonyl complexes were reported as efficient for the hydrogenation of C=O and C=N bonds. According to previous investigations in the group, we developed a new approach within artificial metalloenzyme involving iron complexes for the hydrogenation of polarized bonds. Simultaneously, we described new reactivities of the complex prepared in the group for ketone alkylation and amine methylation through auto-hydrogen borrowing process, and chemoselctive C=C bonds of enones. We developed as well a new aminocyclopentadienyl iron complex for the enhancement of reductive amination previously described

Ce travail de thèse est consacré à la conception de métalloenzymes artificielles. Un tel concept permet de combiner les avantages des catalyseurs enzymatiques et organométalliques, tels que la sélectivité catalytique élevée et l'efficacité des systèmes enzymatiques et la large portée de substrats des catalyseurs des métaux de transition. Notre approche repose sur l’utilisation de complexes de métaux de transition avec un ligand prochiral hémilabile, qui une fois insérés dans la protéine hôte sera forcé d’adopter une configuration spécifique. La chiralité sera ainsi amenée au plus près du centre métallique et permettra d’augmenter l’énantioselectivité des réactions catalysées. Dans cette thèse, nous rapportons la synthèse de nouveaux complexes de palladium à ligands pinces NCN hémilabiles prochiraux et l’étude de leurs propriétés structurales. De plus, l’ancrage supramoléculaire de ces complexes dans la β-lactoglobuline (β-LG) bovine a été étudié expérimentalement et théoriquement par modélisation moléculaire. Ces constructions ont montré une activité catalytique dans la condensation d’aldol dans l’eau, et permettent d’obtenir, dans certains cas, le produit Cis. Cette diastéréosélectivité inhabituelle résulte de la seconde sphère de coordination apportée par l'hôte protéique. Dans une deuxième partie, on rapporte la synthèse de nouveaux complexes semi-sandwich de ruthénium avec des ligands β-aminothioéther hémilabiles, ainsi que l'étude de leur insertion dans la protéine. Les hybrides catalysent l'hydrogénation par transfert d'arylcétones avec une énantiosélectivité élevée. L'amélioration de la sélectivité a été attribuée au transfert de chiralité de la protéine vers le complexe et à son tour vers le produit de réaction
This PhD work focused on the development of artificial metalloenzymes. Such a concept allows to combine typical advantages of both enzymatic and organometallic catalysts, such as high catalytic selectivity and efficiency of enzymatic systems and wide substrate scope of transition metals catalysts. Our approach consists in the utilization of transition metal complexes with a prochiral hemilabile ligand, once embedded within the protein host, could be forced to adopt a specific stereoconfiguration. This would in turn make possible to bring the chirality centers closer to the catalytic metal center and, therefore, to increase the enantioselectivity of catalyzed reactions.In this thesis, we report the synthesis of new palladium complexes of prochiral hemilabile NCN pincer ligands and the study of their structural properties. Furthermore, the supramolecular anchoring of these complexes to bovine β-lactoglobulin (β-LG) was studied both experimentally and theorically by computational calculation. These constructs were shown to catalyze aldol condensation reactions in aqueous media, affording, in some cases, the less-favorable cis product. This unusual diastereoselectivity was ensued by the second sphere of coordination brought by the protein host. In a second part, the synthesis of new half sandwich ruthenium complexes of prochiral hemilabile β-aminothioether ligands is reported as well as the study of their insertion in the protein. The hybrids catalyzed the transfer hydrogenation of arylketones with high enantioselectivity. The enhancement of selectivity was attributed to chirality

Dans un contexte de développement durable, les enzymes sont des outils biologiques puissants pour catalyser des réactions avec de très grandes efficacités et spécificités. Inspirée des enzymes et de la catalyse organométallique, l’élaboration de métalloenzymes artificielles émerge depuis plusieurs années comme une stratégie de choix pour fournir aux chimistes de nouveaux biocatalyseurs, en accord avec les principes de la chimie verte. Elles sont construites par l’insertion par interactions supramoléculaires ou couplage covalent, d’un ion ou d’un complexe métallique au sein d’une protéine, qui leur apporte un environnement hydrophobe protecteur et chiral. Lors de cette thèse, plusieurs métalloenzymes artificielles ont été construites par couplage covalent de complexes métalliques dans deux protéines hôtes, qui sont la Xylanase A (Xln) et les protéines artificielles de la famille des Reps. Dans un premier temps, une hydrogénase artificielle a été construite dans le mutant XlnS212C par ancrage covalent d’un complexe de fer appelé complexe de Knölker. L’hydrogénase artificielle obtenue, XlnS212CK, s’est avérée capable de catalyser l’hydrogénation par transfert d’hydrure de la trifluoroacétophénone, TFAC, sans excès énantiomérique. Dans un second temps, quatre Diels-Alderases artificielles ont été construites à partir de la protéine bidomaine (A3_A3’) de la famille des αReps. Les deux meilleures Diels-Alderases, qui ont conduit respectivement au meilleur rendement et la meilleure énantiosélectivité dans la réaction de l’azachalcone sur le cyclopentadiène, ont été élaborées respectivement par fixation covalente de complexe de cuivre de ligands phénanthroline et terpyridine dans un mutant F119C de A3_A3’ : (A3_A3’)F119Phen-Cu(II) et (A3_A3’)F119Terpy-Cu(II). Finalement, une nouvelle hémoprotéine artificielle a été construite par couplage covalent de la méso-tétraphénylporphyrine de manganèse Mn(III)TPP-NHMal dans le mutant (A3_A3’)Y26C. L’hémoprotéine artificielle formée BH MnTPP seule ne montre aucune activité catalytique pour l’oxydation de co-substrats par H2O2. Cependant, de manière inattendue, l’addition d’imidazole et d’une autre protéine αRep, bA3-2, qui se fixe de manière spécifique sur A3_A3 et provoque son ouverture, permet non seulement de déclencher l’activité peroxydase de BH MnTPP, mais également une activité monooxygénase qui catalyse la sulfoxydation du thioanisole par H2O2. Il s’agit du premier exemple décrit à ce jour de métalloenzyme artificielle dont l’activité peut être induite par la fixation d’une protéine partenaire
In a context of sustainable development, enzymes are powerful biological tools to catalyze reactions with very high efficiencies and specificities. Inspired by enzymes and organometallic catalysis, the development of artificial metalloenzymes has emerged for several years as a strategy of choice to provide the chemists with new biocatalysts, in accordance with the principles of green chemistry. They are constructed by the insertion by supramolecular interactions or covalent coupling of an ion or a metal complex within a protein, which provides them with a protective and chiral hydrophobic environment. In this thesis, several artificial metalloenzymes were constructed by covalent coupling of metal complexes into two host proteins, Xylanase A (Xln) and artificial proteins of the Reps family. Initially, an artificial hydrogenase was constructed in the XlnS212C mutant by covalent anchoring of an iron complex known as the Knölker complex. The artificial hydrogenase obtained, XlnS212CK, was found to be capable of catalyzing hydride hydrogenation of trifluoroacetophenone, TFAC, without enantiomeric excess. In a second time, four artificial Diel-Alderases were constructed from the bidomain protein (A3_A3') of the αReps family. The two best Diels-Alderases which led respectively to the best yield and the best enantioselectivity in the reaction of azachalcone on cyclopentadiene were developed respectively by covalent attachment of copper complex of phenanthroline and terpyridine ligands in a mutant F119C of A3_A3' (A3_A3')F119Phen-Cu (II) and (A3_A3')F119 Terpy-Cu (II). Finally, a new artificial hemoprotein was constructed by covalent coupling of the manganese meso-tetraphenylporphyrin Mn(III)TPP-NHMal in the (A3_A3')Y26C mutant. The artificial hemoprotein formed BH-MnTPP alone shows no catalytic activity for the oxidation of co-substrates by H2O2. However, unexpectedly, the addition of imidazole and another αRep protein, bA3-2, which binds specifically to A3_A3’ and causes it to be opened, not only triggers the BH-MnTPP peroxidase activity but also a monooxygenase activity which catalyzes the sulfoxidation of thioanisole by H2O2. This is the first example described to date of artificial metalloenzyme whose activity can be induced by the attachment of a partner protein

We designed and prepared artificial metalloenzymes for asymmetric transfer hydrogenation of ketones by covalent anchoring of [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl complexes (Cp* = pentamethylcyclopentadienyl) to the cysteine endoproteinase papain. Papain was chosen as protein host because its active site consists in a large pocket of 25 Å long by 15 Å wide including a cysteine (Cys25) carrying a highly nucleophilic thiol function. Preliminary catalytic studies with the model complex [Cp*Rh(dpa)Cl]Cl (dpa = 2,2’-dipyridylamine) enabled to delineate the optimal experimental conditions for the transfer hydrogenation of acetophenone derivatives. Cp*Rh(diimine)Cl]Cl complexes carrying a functional group targeting Cys25 on the diimine ligand were synthesized and assembled to papain. The ability of the hybrid species to catalyze the transfer hydrogenation of trifluoroacetophenone was studied in the presence of formate. Under optimal conditions of pH and catalyst load, quantitative conversion was reached. Asymmetric induction in favor the R or S enantiomer depending on the metalloenzyme was observed with enantiomeric excess reaching 20%. To complete the experimental studies, molecular modeling calculations (QM/QM') enabled to bring out favorable interactions between metal cofactors and protein host, providing important structural information for understanding reactivity and selectivity profiles of the artificial metalloenzymes
Nous avons conçu et préparé des métalloenzymes artificielles pour l’hydrogénation asymétrique de cétones par ancrage covalent de complexes [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl (Cp* = pentaméthylcyclopentadiényle) à l’endoprotéinase à cystéine papaine. La papaine a été choisie comme protéine hôte car son site actif se présente sous la forme d’une large poche de 25 Å de long sur 15 de large et comprend une cystéine (Cys 25) porteuse d’un thiol fortement nucléophile. Des études préliminaires sur le complexe modèle [Cp*Rh(dpa)Cl]Cl (dpa = 2,2’-dipyridylamine) ont permis de mettre au moins les conditions expérimentales optimales de catalyse sur des substrats dérivés de l’acétophénone. Les complexes [Cp*Rh(diimine)Cl]Cl porteurs d'une fonction ciblant le thiol de la Cys25 sur le ligand diimine ont été synthétisés puis assemblés à la papaïne. La capacité des espèces hybrides à catalyser l'hydrogénation par transfert de la trifluoroacétophénone a été étudiée en présence de formate. Dans des conditions optimales de pH et de charge catalytique, une conversion totale a été atteinte. Une induction asymétrique en faveur de l’énantiomère R ou S selon la métalloprotéine employée a été observée avec des excès énantiomériques atteignant 20%. Pour compléter les études expérimentales, des calculs de modélisation moléculaire QM / QM' nous ont permis de mettre en évidence des interactions favorables entre l’entité métallique et la protéine hôte, fournissant des informations structurales importantes à la compréhension de la réactivité et la sélectivité des métalloenzymes artificielles

Devant la nécessité de préservation de l’environnement, la chimie devra de plus en plus devenir « verte ». Le développement de catalyseurs bio-hybrides est une voie prometteuse vers une chimie verte. En effet, ces catalyseurs combinent à la fois les avantages de la catalyse homogène (large gamme de réactivité) et ceux de la catalyse enzymatique (réaction en milieux aqueux, optimisation possible par génie biotechnologique). Ces nouveaux types de catalyseurs éco-compatibles semblent être à ce jour une alternative intéressante à la catalyse chimique classique.Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides appelés Hémozymes, basés sur l’insertion non covalente de complexes métalliques hydrosolubles (responsables de l’activité catalytique), au sein d’une protéine hôte : la Xylanase A (pouvant induire une régio/stéréo/chimio-sélectivité).Pour cette étude, nous avons synthétisé différents complexes métalliques de taille variable (porphyrines, salens et salophens) métallés soit par du fer soit par du manganèse. L’étude de leur association avec la Xln A ainsi que les essais de leur activité catalytique nous ont permis d’aboutir à des résultats intéressants, d’une part pour la réaction d’oxydation du thionanisole par le peroxyde d’hydrogène, d’autre part pour l’oxydation d’alcènes aromatiques par l’oxone (KHSO5). Nous avons ainsi obtenu deux métalloenzymes artificielles remarquables, l’une capable de catalyser l’oxydation énantiosélective du thioanisole par le peroxyde d’hydrogène (84% de rendement, 40% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère S), l’autre capable de catalyser l’époxydation asymétrique du paraméthoxy-styrène par KHSO5 (17% de rendement, 80% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère R). Enfin, de nouvelles stratégies pour concevoir des catalyseurs bio-hybrides ont également été envisagée comme le greffage covalent de complexes métalliques au sein d’une protéine hôte, ou encore l’utilisation d’une forte affinité ligand-protéine (comme les interactions de type inhibiteur) pour enfouir un cofacteur métallique au sein d’une protéine
In those days, the preservation of the environment is a huge challenge, so chemistry has to become more "Green". The development of bio-hybrid catalysts is a promising way towards a green chemistry. Indeed, these catalysts both combine the benefits of homogeneous Catalysis (wide range of reactivity) and those of enzyme catalysis (reaction in aqueous media, possible optimization by biotechnological engineering). These new kind of eco-compatible catalyst seem to be an interesting alternative to classical chemical catalysis to this day.For this study, we have synthesized various complexes with various size (porphyrins, salens and salophens) metalled by iron or manganese. The study of their association with Xln A and the catalytic activity assays allowed us to achieve interesting results, on the one hand to the oxidation of the thionanisole by hydrogen peroxide, on the other hand for the oxidation of aromatic alkenes by the oxone (KHSO5).This thesis is about the development of new bio-hybrid catalysts called Hemozymes, based on the non-covalent insertion of water-soluble metal complexes (responsible for the catalytic activity), inside a host protein: Xylanase A (which can induce a regio/stereo/chemo-selectivity).We have thus obtained two remarkable artificial metalloenzymes, one able to catalyze the enantioselective oxidation of thioanisole by hydrogen peroxide (84% yield, 40% of enantiomeric excess for the S isomer), the other able to catalyze the asymmetric epoxidation of paramethoxy-styrene by KHSO5 (17% yield, 80% enantiomeric excess for the R isomerFinally, new strategies to develop bio-hybrid catalysts have also been considered, such as covalent linkage of metal complexes within a host protein or the use of a high ligand-protein affinity (such as the interactions of inhibitor with proteins) to introduce the metal cofactor inside the protein pocket

Depuis la révolution industrielle, la chimie ne cesse de prospérer en développant des procédés de plus en plus performants souvent aux dépens de l’environnement. Dans le cadre du développement d’une chimie durable, des procédés catalytiques dans le domaine de la chimie d’oxydation sont mis en place en utilisant des métaux physiologiques et des oxydants doux. En combinant les avantages de la catalyse homogène et de la biocatalyse, de nouveaux catalyseurs bio-inspirés ont émergé, les métalloenzymes artificielles. Elles sont constituées d’un complexe inorganique, choisi en fonction de la réaction visée, qui est ancré au sein d’une protéine, qui apporte la sélectivité de la réaction. Au cours des travaux de cette thèse, de nouvelles métalloenzymes artificielles ont été créées par ancrage de divers complexes de Fe ou de Ru au sein de la protéine NikA. Dans un premier temps, l’hybride NikA/Ru-bpza a été synthétisé pour réaliser l’hydroxychloration d’alcènes en présence d’un iode hypervalent. Bien que d’excellentes propriétés catalytiques aient été obtenues, l’amélioration de la stabilité de ce type de catalyseurs, en particulier pour des réactions d’oxydation, reste un challenge important à relever pour leur utilisation au niveau industriel. Une des solutions originale est basée sur le développement de la catalyse hétérogène, en utilisant de cristaux de métalloenzymes artificielles grâce à la technologie CLEC (Cross-Linked Enzyme Crystals). Cette technologie permet, d’une part, d’améliorer la stabilité et la recyclabilité des catalyseurs, et d’autre part, d’élargir les conditions réactionnelles utilisées (solvants, pH, températures). Trois réactivités ont été développées à base de CLEC NikA/FeL : (i) la sulfoxydation de thioéthers, (ii) l’hydroxychloration d’alcènes en présence d’Oxone® et de chlore et (iii) la coupure oxydante d’alcènes par activation d’O2. Ces résultats ont permis d’explorer de nouvelles réactivités en chimie cascade soit en combinant les CLEC mis au point, soit en combinant différents catalyseurs homogènes
Since the industrial revolution, chemistry has continually thriven by developing new efficient processes at the expense of the environment. As an example, oxidation reactions are performed under harsh conditions with the use of toxic oxidants. With the emergence of green chemistry, catalytic processes using physiological metals and soft oxidants are privileged. Combining the advantages of biocatalysis and homogeneous catalysis, the design of novel bioinspired catalysts, consisting on the synthesis of artificial enzymes has recently emerged. These hybrids are composed of an inorganic complex, driving the reactivity of the enzyme, inserted into a protein, which drives the reaction selectivity. The thesis described new developments in original artificial metalloenzymes, based on the use of the NikA protein and Fe or Ru catalysts. First, a new hybrid has been developed by anchoring the Ru-bpza complex to NikA to catalyze alkene hydroxychloration with hypervalent iodine. Although excellent catalytic efficiencies were obtained, the stability improvement remains a major challenge for the industrial use of these catalytic processes, especially when oxidation chemistry is concerned. One possible strategy is based on the development of heterogeneous catalysis, by using a crystal/solution version of the artificial metalloenzymes thank to the cross-linked enzyme crystals (CLEC) technology. On the one hand, this technology allows to increase the stability and the recyclability of the catalysts. On the other hand, catalysis can be performed under a various reactions conditions (organic solvent, temperature, pH). Three reactivities have been developed with NikA/FeL-CLEC catalysts: (i) thioether sulfoxidation with NaOCl, (ii) alkene hydroxychloration with Oxone® and chloride source and (iii) oxidative cleavage of alkenes by O2 activation. To go further, new reactivities in cascade reactions have been explored combining either NikA-based CLEC developed, or different homogenous catalysts

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats
The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced