Enzyme bactérienne améliorée en labo, jusqu'à 1 800 fois plus efficace

La fabrication d'un médicament ou d'un arôme alimentaire passe souvent par l'oxydation d'alcools, une étape que les chimistes réalisent généralement avec des oxydants agressifs à haute température, ce qui laisse derrière elle des déchets toxiques. Les organismes vivants offrent une voie plus douce. Les champignons produisent des galactose oxydases, des enzymes qui effectuent les mêmes réactions sur des alcools et des sucres simples, dans des conditions douces et en utilisant l'oxygène. Jusqu'à présent, les versions les mieux caractérisées provenaient de champignons. Une équipe de l'Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier de l'université NOVA de Lisbonne (ITQB NOVA), au Portugal, vient de décrire la première galactose oxydase trouvée dans une bactérie, qu'elle baptise PsGalOx.

L'enzyme a été difficile à manier pendant des années. « Pendant plusieurs années, l'enzyme s'est révélée exceptionnellement difficile à produire sous une forme soluble, et donc à caractériser », explique Lígia Martins, qui dirige le laboratoire de technologie microbienne et enzymatique de l'ITQB NOVA. Ce qui a changé, c'est AlphaFold, un système d'intelligence artificielle dont les prédictions de structure ont aidé l'équipe à visualiser l'architecture inhabituelle de l'enzyme et à repérer des modifications susceptibles d'améliorer sa production. La version bactérienne comporte deux modules de fixation des sucres presque identiques à côté de son module catalytique, une particularité que n'ont pas les versions fongiques les mieux connues. Tomás Frazão, doctorant et l'un des premiers auteurs de l'article, explique que les deux copies, qui partagent environ 80 % d'identité de séquence, ont des rôles distincts : l'une renforce la fixation des sucres, l'autre contribue surtout à la stabilité de la protéine. L'équipe remet ainsi en cause l'idée répandue selon laquelle ces modules seraient interchangeables.

Les chercheurs ont alors appliqué l'évolution dirigée, qui recrée la sélection naturelle en laboratoire : ils ont introduit des mutations et criblé des milliers de colonies bactériennes à la recherche de variants améliorés. Les modules semblables se sont recombinés en modules hybrides uniques, et ces variants ont produit davantage de protéine soluble. L'équipe a également constaté qu'une activité plus élevée ne signifiait pas nécessairement que l'enzyme était devenue un meilleur catalyseur : une grande partie de l'amélioration provenait du fait que les cellules en produisaient davantage, et l'avoir compris a été essentiel pour progresser. Le variant final est 40 à 1 800 fois plus efficace pour traiter une gamme de sucres et d'alcools.

Pour les chimistes et les industriels, le gain représente une voie potentiellement plus propre pour produire des intermédiaires entrant dans la fabrication d'aliments, de médicaments et de matériaux, puisque la réaction se déroule dans des conditions douces et avec de l'oxygène. Qui en profitera, et quand, n'est pas encore tranché. L'équipe prévoit de continuer à modifier PsGalOx pour agir sur des « substrats d'intérêt pratique », dans le but d'obtenir un intermédiaire polyvalent pour les applications alimentaires, pharmaceutiques et des matériaux, et elle souhaite cartographier la diversité évolutive des oxydases bactériennes. Aucun partenaire industriel ni aucune date commerciale n'ont été annoncés.

Les limites sont claires. Tous les résultats proviennent de travaux de laboratoire, la fourchette de 40 à 1 800 fois couvre de nombreux substrats différents plutôt qu'un seul produit, et l'enzyme n'a pas encore été signalée dans un procédé industriel. Le prochain test consistera à vérifier si les mêmes gains se maintiennent sur les sucres et les alcools dont les industriels ont réellement besoin.