Ecole Doctorale

SCIENCES CHIMIQUES - Marseille

Spécialité

Sciences Chimiques

Etablissement

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 l’évolution rapide des biotechnologies incitent la communauté scientifique à imaginer de nouvelles voies de synthèse. Les travaux présentés ici ont pour but d’étudier les voies d’oxydation de sulfures volatils par biocatalyse dans le contexte de la chimie de spécialité. Tout d’abord, une étude bibliographique rappelle les différentes méthodes d’oxydation des sulfures utilisant à la fois la catalyse homogène et hétérogène mais aussi – et surtout – la catalyse enzymatique. L’utilisation des biotechnologies dans des synthèses industrielles y est également mentionnée. Les sulfures d’intérêt se caractérisent par leur volatilité, contrairement à leurs produits d’oxydation peu volatils et très solubles dans l’eau. Ces spécificités ont conduit à l’élaboration d’une méthode d’analyse dédiée. Le sulfure le moins volatil, le diéthylsulfure (DES), a été sélectionné comme sulfure de référence. Dans une première partie, un criblage d’une vingtaine d’enzymes appartenant à plusieurs classes (peroxydases, monooxygénases, dioxygénases) a été réalisé pour l’oxydation du DES. La chloroperoxydase de Caldariomyces fumago a permis l’accélération de l’oxydation du sulfure par le peroxyde d’hydrogène mais ce système oxydant est peu efficient. Un cytochrome P450 (le CYP153A6 de Sphingomonas sp.) a conduit à l’obtention du diéthylsulfoxyde (DESO) sans formation de diéthylsulfone (DESO2). D’autre 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 l’orientation de la réaction vers la formation préférentielle de sulfoxyde ou de sulfone. La meilleure sélectivité a été observée avec la Cyclohexanone Monoxygénase d’Acinetobacter calcoaceticus (CHMO) et a fait l’objet d’une étude plus approfondie. Nous avons montré que ce comportement s’étend à d’autres 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 d’en déterminer les facteurs limitants. Le recyclage du cofacteur, qui est un point crucial de l’utilisation des BVMOs à l’échelle industrielle, y est également abordé et la preuve de concept d’un système original et prometteur a été apportée. Enfin, des essais préliminaires de montée en échelle ont été réalisés dans un réacteur semi-continu afin d’obtenir des données de productivité nécessaires à l’avancement 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.