Les enzymes fer-soufre (Fe-S) possèdent un potentiel énorme en biotechnologies pour produire des molécules variées, de haute valeur (biocarburants, antifongiques, antibactériens ou anticancéreux).

Leur efficacité catalytique dépend cependant d'autres protéines (cofacteurs), ce qui induit des goulots d'étranglement dans les voies de biosynthèse. Pire encore, la plupart des enzymes Fe-S présente une faible activité en dehors de leur hôte d'origine (dans un organisme hétérologue). Un obstacle qui peut néanmoins être surmonté dans un contexte de bio-ingénierie. Ainsi l'objectif des chercheurs est-il d'exprimer de façon routinière sous forme active, au sein d'espèces hétérologues, les enzymes Fe-S en vue d'exploiter pleinement leur potentiel.

Dans ce contexte, des biologistes de l'Irig ont étudié de façon systématique, chez la bactérie Escherichia coli, la compatibilité des machineries procaryotes d'assemblages des « clusters Fe-S » avec des enzymes Fe-S non-natives, par des approches de bioinformatique, de phylogénie, de microbiologie à grande échelle et de biochimie. Ils se sont intéressés à plusieurs enzymes Fe-S impliquées dans des voies métaboliques de synthèse de composés naturels valorisables (vitamine, biocarburant, antibiotique).

L'étude leur a permis d'identifier plusieurs facteurs affectant l'activité des enzymes Fe-S hétérologues :

• la sensibilité à l'oxygène ;
• l'incompatibilité avec la machinerie de biogenèse des clusters Fe-S de l'hôte ;
• l'incompatibilité avec les protéines de transfert d'électrons de l'hôte.

Elle a conduit à plusieurs résultats.

• La probabilité qu'a une protéine Fe-S hétérologue à être exprimée de façon fonctionnelle et la distance phylogénétique entre les deux organismes sont corrélées de manière frappante.
• L'expression conjointe d'une autre voie de biogenèse des enzymes Fe-S hétérologues augmente l'éventail phylogénétique des orthologues qui peuvent être supportés par l'hôte étranger.
• Les enzymes Fe-S qui nécessitent des protéines de transfert d'électrons spécifiques pour être actives sont rarement exprimées de manière fonctionnelle, à moins que leurs partenaires réducteurs spécifiques ne soient identifiés et co-exprimés.

Forts de ces découvertes, les chercheurs sont parvenus à améliorer l'activité d'une enzyme Fe-S de la bactérie Streptomyces, impliquée dans la voie de biosynthèse d'un antibiotique, quand celle-ci est exprimée dans Escherichia coli. Ils ont notamment identifié une protéine de transfert d'électron spécifique permettant d'augmenter l'activité de l'enzyme Fe-S d'un facteur 10, et les bases moléculaires de cette spécificité ont été identifiées.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'Institut Pasteur de Paris, l'Institut de microbiologie de Marseille et l'Université de technologie de Delft (Pays-Bas).