La plus large et diverse famille d’enzymes du Vivant sont les enzymes dites à SAM radical. Elles catalysent un grand nombre de réactions biochimiques majeures souvent sans précédent dans le Vivant, notamment pour la biosynthèse d’antibiotiques ou de vitamines. Malgré leur importance, leur très large distribution dans le Vivant et leurs rôles biologiques-clés chez les bactéries mais également chez l’Homme, ces enzymes sont particulièrement difficiles à étudier car elles sont sensibles à l’oxygène et à la lumière.
Des scientifiques d'INRAE (MICALIS, ChemSyBio, Université Paris-Saclay), de la ligne PROXIMA-1 et d'Aix-Marseille Université-CNRS, ont étudié le rôle de Mmp10, une enzyme impliquée dans la biosynthèse du méthane. Le méthane est un gaz à effet de serre majeur mais il joue également un rôle important en tant que source de bioénergie et dans le microbiome*.
La production de méthane par des archées anaérobies est responsable de deux tiers des émissions mondiales de ce gaz, une grande partie provenant des sédiments marins et du microbiome des mammifères. L’étape finale de cette production de méthane implique l’enzyme « méthyl-coenzyme M réductase » (MCR), dont l'activité est régulée par une autre enzyme, appelée Mmp10. Mmp10 effectue une modification post-traductionnelle essentielle de la MCR, permettant qu’elle soit active et produise le méthane. Cette modification - la méthylation d'un atome de carbone non-activé - est une réaction particulièrement difficile que seules des enzymes similaires à Mmp10, une famille d’enzymes appelée « SAM radical, dépendantes de la vitamine B12 », peuvent catalyser. Cependant, depuis leur découverte il y a dix ans, on ne sait pas comment ces enzymes catalysent une réaction aussi difficile.
Des chercheurs d’INRAE (MICALIS, ChemSyBio) en collaboration avec la ligne PROXIMA-1 et Aix-Marseille Université-CNRS ont entrepris l'étude biochimique, spectroscopique et structurale de Mmp10 afin de déterminer sa structure 3D et d’explorer son mécanisme réactionnel.
Leurs résultats originaux montrent que la Mmp10 possède une structure tridimensionnelle unique parmi les enzymes connues, avec notamment quatre sites distincts contenant des atomes métalliques, dont deux sites avec du fer (un centre 4Fe-4S et un fer mononucléaire), un cation sodium et un atome de cobalt (Figure 1). Les scientifiques ont démontré que tous ces centres métalliques sont essentiels à son activité enzymatique.
En outre, pour la première fois, il a été possible de prendre plusieurs « photographies » de la Mmp10 à différentes étapes de la réaction, c’est-à-dire d’obtenir les structures 3D de l’enzyme dans les différentes conformations qu’elle adopte successivement au cours de la réaction qu’elle catalyse. Les scientifiques ont ainsi pu capturer l'enzyme en mouvement et reconstituer un « film » de la réaction. Grâce à cette approche élégante et multidisciplinaire, il a été possible de démontrer que l'enzyme subit des réarrangements jusqu’ici jamais observés, principalement dans son site actif, au cours de la catalyse.
Cette découverte inédite explique comment Mmp10 effectue la réaction de méthylation de l’enzyme MCR en alternant chimie radicalaire et nucléophile. En effet, les scientifiques ont ainsi pu reconstruire les différentes étapes de la réaction et proposer un mécanisme réactionnel unique pour la Mmp10.
Si cette étude apporte de nouvelles connaissances sur le processus complexe de production du méthane par les bactéries, elle donne aussi un aperçu sans précédent de la façon dont les enzymes à SAM radical dépendantes de la vitamine B12 catalysent des réactions chimiquement complexes.
Cette étude ouvre des perspectives pour l’exploitation du potentiel catalytique de ces enzymes dans le cadre du développement de nouvelles molécules bioactives et de la chimie verte.
Figure 1 : Structure 3D de la protéine Mmp10 en complexe avec une petite protéine substrat (chaine au centre, dont les atomes sont colorés par type) mimant la MCR et liant la vitamine B12 (molécule en violet), la SAM (S-adénosyl-L-méthionine, molécule en vert) ainsi que les centres métalliques (sphères).
*microbiome : ensemble des microorganismes (bactéries, virus, champignons, archées) vivant dans un environnement donné, tel que le sol ou le système digestif humain par exemple.