Illuminating biomolécules : shedding light on the utility of labeling using transglutaminases

Le développement des technologies de recombinaison en biologie moléculaire fut un point tournant pour les sciences biologiques. Depuis cette découverte, diverses avancées extraordinaires qui ont un impact direct sur les humains ont pu être accomplies dans les domaines de recherches qui découlent de cette technologie. L’étude des enzymes produites en utilisant cette technique est le fondement de leurs applications éventuellement accessibles. À cet effet, la biocatalyse est un sous-domaine de l’enzymologie en développement continuel. Les chimistes et ingénieurs utilisent les composantes de systèmes biologiques ou même des systèmes complets afin de complémenter ou remplacer des méthodologies existantes. Cette thèse étudie la famille d’enzymes transglutaminase (TGase) comme biocatalyseur afin d’explorer et d’étendre l’ubiquité et les innovations rendues possibles grâce aux enzymes. Les TGases sont des enzymes versatiles. Leur homologue bactérien, la transglutaminase bactérienne (MTG), est couramment utilisé à l’échelle industrielle pour la transformation alimentaire. Depuis une dizaines d’années, de nombreux efforts ont été faits afin de trouver de nouvelles applications des TGases. En premier lieu, une revue des accomplissements, progrès et défis reliés au développement des TGases sera décrite. Les TGases sont intrinsèquement des catalyseurs de la formation de lien isopeptidiques entre une glutamine et une lysine. Par ce fait, elles ont été initialement testées dans cette thèse pour la synthèse de peptides. Une forme de l’enzyme TGase de mammifères fut en mesure de générer les composés dipeptidiques Gly-Xaa et D-Ala-Gly avec une faible conversion. La MTG possède plusieurs caractéristiques qui font de cette enzyme un candidat intéressant pour le développement de biotechnologies. Elle est stable, non dépendante d’un cofacteur et connait peu de compétition pour sa réaction catalytique inverse. La majeure partie de cette thèse porte exclusivement sur l’utilisation de la MTG. Nous avons développé et caractérisé une réaction chimio-enzymatique en un seul pot pour la conjugaison de peptides et protéines. La présence de glutathion en quantité suffisante permet de contourner l’incompatibilité de la MTG avec le cuivre et ouvre la porte à l’utilisation de la réaction de cycloaddition entre un alcyne et un azoture catalysée par le cuivre, afin d’effectuer le marquage fluorescent de protéines. L’utilisation d’autres méthodes de chimie « click » sans métaux fut aussi étudiée afin d’incorporer divers substrats protéiques. Le marquage de protéines avec la MTG fut investigué de manière combinatoire. Précisément, la ligation de Staudinger, la cycloaddition azoture-alcyne promue par la tension de cycle, ainsi que la ligation de tetrazine (TL) ont été testées. Différents niveaux de conversion ont été atteints, le plus prometteur étant celui obtenu avec la TL. Une étude par cristallographie a été effectuée afin d’élucider comment les substrats contenant une glutamine interagissent avec la MTG. Une méthode de purification alternative de la MTG a été développée afin d’atteindre ce but. Une discussion sur les stratégies et défis est présentée. Finalement, la conjugaison entre un système contenant la MTG comme biocatalyseur de marquage, le domaine B1 de la protéine G (GB1) comme substrat et d’un fluorophore contenant une amine comme sonde fut étudié. Comme deux des constituants de ce système sont des protéines, l’ingénierie d’enzyme peut être entreprise afin d’améliorer leurs propriétés. Une banque de 24 variantes de GB1 fut construite grâce à une approche semi-rationnelle afin d’investiguer quels facteurs sont déterminants pour la sélectivité de la MTG envers la glutamine. Chaque variante étudiée comportait une seule glutamine à une position variable afin d’évaluer l’impact des éléments de structure secondaire où se retrouve la glutamine. L’efficacité pour le marquage a pu être améliorée d’au moins un ordre de grandeur pour huit des substitutions étudiées. Comme chacune des structures secondaires fut marquée, il fut démontré que la MTG n’en préfère pas une en particulier. De plus, la réactivité de la MTG envers la variante I6Q-GB1 fut augmentée en créant des mutations dans son site actif. Ces résultats permettent de comprendre d’avantage la sélectivité de la MTG envers la glutamine, tout en démontrant le potentiel de cette enzyme à être modifiée afin d’être améliorée. The development of recombinant molecular biology technologies was a turning point for the biological sciences, which has since evolved into dozens upon dozens of different subfields and contributed to extraordinary advances for humans. At the core of many of these advances are the enzymes produced by these techniques, with efforts to understand their form and function laying the groundwork for their application. One of these continuously advancing subfields rooted in enzymology is biocatalysis, in which chemists and engineers embrace biological components and systems to complement, or even replace, existing methodologies. This thesis seeks to further contribute to the advancement and ubiquity of enzymes to be incorporated into future innovations. To this end, transglutaminase (TGase) is the biocatalyst selected for study. TGases are versatile enzymes, with the bacterial homolog, microbial transglutaminase (MTG) being readily used in industrial processes for years, particularly for food processing. An abundance of efforts seeking to apply TGases to other processes have been made within the last decade. We commence by reviewing the accomplishments, progress, and challenges to developing TGase towards new goals. TGase naturally catalyzes the formation of isopeptide bonds utilizing a glutamine and lysine substrates, and one of its first unconventional applications we investigated was for peptide synthesis. We determined the ability and specificity of one form of TGase for various amino acid-derived substrates, observing the formation of Gly-Xaa and D-Ala-Gly dipeptide products, albeit at a low conversion. MTG exhibits several characteristics that make it an appealing candidate for biotechnological development, such as its independence from a cofactor, little competition for its reverse catalytic reaction, and increased stability relative to mammalian TGases. Therefore, the remainder of this thesis pertains exclusively to MTG. We developed and extensively characterized a one-pot chemoenzymatic peptide and protein conjugation scheme. The presence of sufficient glutathione circumvents the incompatibility of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition with MTG owing to the presence of copper. We ultimately utilized this chemoenzymatic conjugation scheme for fluorescent protein labeling. We continue to expand upon combinatorial methods to undertake protein labeling by investigating to what extent metal-free click chemistries can be utilized in combination with MTG. Specifically, the Staudinger ligation, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, and tetrazine ligation (TL) were assayed on protein substrates to reveal varying levels of effective conjugation, with the TL being the most promising of the three. The details surrounding the manner in which MTG interacts with its glutamine-containing substrate remains unclear. To address this knowledge gap, we sought to pursue crystallography studies, which required the development a modified purification strategy. We discuss the strategies we investigated and the challenges surrounding such efforts. Finally, we present a conjugation system consisting of MTG as the labeling biocatalyst, the B1 domain of Protein G (GB1) as a substrate, and a small-molecule amine belonging to a recently developed class of fluorophores as a probe. As two components of this system are proteins, enzyme engineering can be applied to further improve their properties. A semi-rational approach was used to generate a 24-member GB1 library to probe the structural determinants of MTG’s glutamine selectivity. Each variant contained a single glutamine at varying positions covering all secondary structure elements, and assayed for reactivity. Eight substitutions resulting in an increased labeling efficiency of at least an order of magnitude were distributed throughout all secondary structure elements, indicating that MTG does not favor one preferentially. In addition, introducing point mutations within MTG’s active site also resulted in increased reactivity towards variant I6Q-GB1. Our results contribute further to understanding the nature of MTG’s glutamine selectivity, while simultaneously demonstrating the potential enzyme engineering has to improve and adjust this system.

Keyphrases: Biocatalyse, Chimie des clics, Ingénierie enzymatique, Marquage des protéines, Transglutaminase, Bioconjugation, Transglutaminase, Biocatalysis, Click chemistry, Protein labeling