Soutenance de thèse de Hugo BRASSELET
Ecole Doctorale
SCIENCES CHIMIQUES - Marseille
Spécialité
Sciences Chimiques
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Sélectivité,Biooxydation,Oxygenases,Baeyer-Villiger Monooxygenases,Sulfure. Sulfoxyde. Sulfone,
Keywords
Sulfide. Sulfoxide. Sulfone,Baeyer-Villiger Monooxygenase,Oxygenases,Biooxidation,Selectivity,
Titre de thèse
Synthèse biocatalysée de sulfoxydes et sulfones d'intérêt industriel
Sulfoxydes and sulfones enzymatic synthesis for industrial purposes
Date
Mardi 10 Mars 2020
à 14:00
Adresse
Campus de l'étoile
52 avenue Escadrille Normandie Niemen
13013 Marseille
Salle des thèses
Jury
Directeur de these | Mme Véronique ALPHAND | UMR7313 - CNRS iSm2 |
Rapporteur | Mme Sandrine BOSCHI-MULLER | UMR7365 CNRS-Université de Lorraine |
CoDirecteur de these | Mme Katia DUQUESNE | UMR7313 - CNRS iSm2 |
Rapporteur | Mme Véronique DE BERARDINIS | UMR 8030 génomique métabolique |
Examinateur | M. Jean- RODRIGUEZ | UMR7313 - CNRS iSm2 |
Examinateur | Mme Juliette MARTIN | Protéus S.A. |
CoDirecteur de these | M. Georges FREMY | Arkema France - Groupement de Recherches de Lacq |
Examinateur | M. Charles TELLIER | UMR CNRS n°6204 |
Résumé de la thèse
La demande sociétale pour une chimie plus écoresponsable ainsi que lévolution rapide des biotechnologies incitent la communauté scientifique à imaginer de nouvelles voies de synthèse. Les travaux présentés ici ont pour but détudier les voies doxydation de sulfures volatils par biocatalyse dans le contexte de la chimie de spécialité.
Tout dabord, une étude bibliographique rappelle les différentes méthodes doxydation des sulfures utilisant à la fois la catalyse homogène et hétérogène mais aussi et surtout la catalyse enzymatique. Lutilisation des biotechnologies dans des synthèses industrielles y est également mentionnée.
Les sulfures dintérêt se caractérisent par leur volatilité, contrairement à leurs produits doxydation peu volatils et très solubles dans leau. Ces spécificités ont conduit à lélaboration dune méthode danalyse dédiée. Le sulfure le moins volatil, le diéthylsulfure (DES), a été sélectionné comme sulfure de référence.
Dans une première partie, un criblage dune vingtaine denzymes appartenant à plusieurs classes (peroxydases, monooxygénases, dioxygénases) a été réalisé pour loxydation du DES. La chloroperoxydase de Caldariomyces fumago a permis laccélération de loxydation du sulfure par le peroxyde dhydrogène mais ce système oxydant est peu efficient. Un cytochrome P450 (le CYP153A6 de Sphingomonas sp.) a conduit à lobtention du diéthylsulfoxyde (DESO) sans formation de diéthylsulfone (DESO2). Dautre part, trois enzymes de la famille des Baeyer-Villiger Monooxygénases (BVMOs) ont présenté une sélectivité originale : la présence ou non de DES permet de contrôler lorientation de la réaction vers la formation préférentielle de sulfoxyde ou de sulfone. La meilleure sélectivité a été observée avec la Cyclohexanone Monoxygénase dAcinetobacter calcoaceticus (CHMO) et a fait lobjet dune étude plus approfondie. Nous avons montré que ce comportement sétend à dautres sulfures et afin de mieux le comprendre, les paramètres cinétiques de la CHMO envers différents substrats ont été déterminés. Un modèle cinétique a été proposé pour rendre compte du cas particulier du DESO.
Dans une seconde partie, la réaction de biooxydation du DES catalysée par la CHMO a été étudiée in vivo. Notre objectif était den déterminer les facteurs limitants. Le recyclage du cofacteur, qui est un point crucial de lutilisation des BVMOs à léchelle industrielle, y est également abordé et la preuve de concept dun système original et prometteur a été apportée. Enfin, des essais préliminaires de montée en échelle ont été réalisés dans un réacteur semi-continu afin dobtenir des données de productivité nécessaires à lavancement du projet.
Thesis resume
The societal demand for a more sustainable chemistry as well as the rapid evolution of biotechnologies encourage the scientific community to imagine new synthetic routes. The work presented here aims to study the oxidation pathways of volatile sulfides by biocatalysis in the context of specialty chemistry.
First of all, a bibliographic study remind the different methods of sulfide oxidation using both homogeneous and heterogeneous catalysis but also - and above all - enzymatic catalysis. The use of biotechnology in industrial syntheses is also mentioned.
Sulfides of interest are characterized by their volatility, unlike their oxidation products which are not volatile and are very soluble in water. These specificities have led to the development of a dedicated analytical method. The less volatile sulfide, diethyl sulfide (DES), was selected as the standard sulfide.
In a first part, a screening of about twenty enzymes belonging to several classes (peroxidases, monooxygenases, dioxygenases) was carried out for the DES oxidation. Chloroperoxidase from Caldariomyces fumago has accelerated the sulfide oxidation by hydrogen peroxide, but this oxidizing system is inefficient. A Cytochrome P450 (CYP153A6 from Sphingomonas sp.) led to the production of diethylsulfoxide (DESO) without the formation of diethylsulfone (DESO2). Moreover, three enzymes from the Baeyer-Villiger Monooxygenases family (BVMOs) presented an original selectivity: the presence or not of DES drives the reaction towards the preferential formation of sulfoxide or sulfone. The best selectivity was obtained with Cyclohexanone Monoxygenase of Acinetobacter calcoaceticus (CHMO) and has been selected for further study. We have shown that this phenomenon extends to other sulphides and, in order to better understand it, the kinetic parameters of CHMO towards different substrates have been determined. A kinetic model has been proposed to analyse the specific case of DESO.
In a second part, the DES bio-oxidation catalyzed by CHMO was studied in vivo. Our goal was to determine the limiting factors. The cofactor recycling, which is a crucial point in the use of BVMOs at industrial scale is also addressed, and the proof of concept of an original and promising system has been provided. Finally, preliminary scaling-up tests were carried out in a semi-continuous reactor in order to obtain productivity data necessary for the project advancement.