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Making a drug or a food flavouring often means oxidising alcohols, a step chemists usually perform with harsh oxidants at high temperatures, which leaves toxic waste behind. Living organisms offer a gentler route. Fungi produce galactose oxidases, enzymes that carry out the same reactions on alcohols and simple sugars under mild conditions, using oxygen. Until now, the best-characterised versions came from fungi. A team at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica António Xavier of NOVA University Lisbon (ITQB NOVA), in Portugal, has now described the first galactose oxidase found in bacteria, which it calls PsGalOx.
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.
The enzyme was hard to work with for years. "For several years, the enzyme proved exceptionally difficult to produce in a soluble form and therefore to characterize," says Lígia Martins, who leads the Microbial & Enzyme Technology laboratory at ITQB NOVA. What changed was AlphaFold, an AI system whose structure predictions helped the team see the enzyme's unusual architecture and identify changes that could improve its production. The bacterial version carries two nearly identical sugar-binding modules next to its catalytic module, a feature the best-known fungal versions do not have. Tomás Frazão, a doctoral student and one of the paper's first authors, says the two copies, which share about 80% sequence identity, have distinct jobs: one enhances sugar binding, the other mainly contributes to protein stability. The team thereby challenges the common assumption that such modules are interchangeable.
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.
The researchers then applied directed evolution, which recreates natural selection in the lab: they introduced mutations and screened thousands of bacterial colonies for better variants. The similar modules recombined into single hybrid modules, and these variants produced more soluble protein. The team also found that higher activity did not necessarily mean the enzyme had become a better catalyst; much of the improvement came from cells making more of it, and recognising that was key to further progress. The final variant is 40 to 1,800 times more efficient at processing a range of sugars and alcohols.
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.
For chemists and manufacturers, the gain is a potentially cleaner way to make intermediates that feed food, drug and materials production, since the reaction runs under mild conditions with oxygen. Who benefits, and when, is not yet settled. The team plans to keep engineering PsGalOx to act on "substrates of practical interest", aiming at a versatile intermediate for food, pharmaceutical and materials applications, and it wants to map the evolutionary diversity of bacterial oxidases. No industrial partner and no commercial date have been announced.
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.
The limits are clear. Every result comes from laboratory work, the 40 to 1,800 range spans many different substrates rather than one product, and the enzyme has not yet been reported in an industrial process. The next test is whether the same gains hold on the sugars and alcohols that manufacturers actually need.
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.