Novel insights into biphenyl analogs metabolism by the bacterial biphenyl catabolic pathwway.

Pham, Thi Thanh My (2014). Novel insights into biphenyl analogs metabolism by the bacterial biphenyl catabolic pathwway. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie, 247 p.

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Résumé

La voie catabolique du biphényle a été grandement étudiée en raison de sa capacité à dégmder les biphényles polychlorés (BPC) en cométablisme et de son application potentielle pour la fabrication de produits chimiques fins. Bien que de nombreux progrès aient déjà été réalisés, plusieurs problèmes restent à résoudre avant que nous puissions mettre à profit cette voie efficacement, pour l'une ou l'autre de ces deux applications. En ce qui concerne la dégradation des BPC, le nombre limité de substrats qui peuvent être métabolisés, le besoin du biphényle pour induire la voie ainsi que d'une source de carbone pour soutenir la croissance bactérienne comptent parmi les principaux facteurs qui peuvent limiter le processus. En ce qui concerne l'utilisation des enzymes pour la fabrication de produits chimiques fms, il sera nécessaire d'augmenter le nombre de substrats que chaque enzyme peut métaboliser ainsi que d'améliorer leurs paramètres cinétiques envers les substrats désirés. L'augmentation de l'éventail d'analogues du biphényle que les enzymes de la voie peuvent métaboliser impliquera sans aucun doute, des approches d'ingénierie génétique. Cependant, plusieurs autres problèmes limitant la dégradation bactérienne des BPC, pourraient être surmontés en faisant appel à la rhizoremédiation qui est un procédé de décontamination basé sur l'interaction entre les plantes et les rhizobactéries qui leur sont associées. Les exsudats de racines contiennent des métabolites secondaires des plantes (MSP) qui sont connus pour stimuler la dégradation bactérienne des BPC. Cependant, les mécanismes par lesquelles ces produits chimiques interagissent avec la voie catabolique du biphényle sont mal connus. Par conséquent, afm d'assurer le succès des procédés de rhizoremédiation, il faudra accroître notre compréhension des mécanismes d'interactions entre les exsudats des plantes et la voie catabolique du biphényle des bactéries auxquelles elles sont associées. L'identification des MSP spécifiques capables de stimuler la dégradation des BPC pourra aider à optimiser le processus. Toutefois, afin d'aider à élaborer les stratégies qui pourraient assurer un rendement de rhizoremédiation optimale, une meilleure connaissance des propriétés catalytiques des enzymes de la voie envers ces produits chimiques sera nécessaire. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la biphényle dioxygénase (BPDO), le premier enzyme de la voie catabolique du biphényle. Cet enzyme 1 détermine l'éventail des analogues du biphényle que la voie peut métaboliser. De plus, il catalyse l'une des réactions biochimiques les plus difficiles, soit l'introduction de deux atomes d'oxygène dans un cycle aromatique. Compte tenu de ces prémisses, nous avons examiné l'interaction entre la voie catabolique du biphényle de trois souches bactériennes et quelques analogues du biphényle sélectionnés, dont certains flavonoïdes, le diphénylméthane et la benzophénone. Les flavonoïdes sont des MSP bien connus alors que le diphénylméthane et la benzophénone sont des contaminants environnementaux et de plus, ils peuvent servir de squelette carboné pour certains MSP. De manière plus précise, nous avons déterminé si ces composés pouvaient induire la voie catabolique du biphényle de Rhodococcus erythropolis U23A, de Pandoraea pnomenusa 8356 et de Burkholderia xenovorans LB400 et nous avons vérifié la capacité des enzymes de cette voie catabolique à métaboliser ces composés. Sur la base des homologies génétiques des enzymes de leur voie catabolique du biphényle, chacune de ces trois bactéries appartient à un groupe phylogénétique différent. Nos données montrent que, parmi les flavonoïdes testés, la flavanone et l'isoflavone étaient respectivement aussi efficaces que le biphényle pour induire la capacité des souches U23A et 8356 à dégrader les BPC. En outre, de façon notable, le diphénylméthane a pu non seulement induire la voie catabolique du biphényle de la souche 8356, mais aussi soutenir sa croissance. Cependant, aucun des composés testés n'était capable d'induire la voie du biphényle de la souche LB400. Bien que les composés testés n'étaient pas tous capables d'induire la voie catabolique du biphényle de ces souches ou de soutenir leur croissance, ils étaient tous cométabolisés à des degrés divers par leurs enzymes de dégradation du biphényle. Une comparaison des propriétés catalytiques des BPDO de 8356 et de LB400 a permis de constater que, contrairement à la BPDO de LB400 qui métabolise mal ces composés, la BPDO de 8356 métabolise ces composés aussi efficacement que le biphényle. Une analyse structurale comparative des complexes modélisés BPDO-substrats obtenus par amarrage moléculaire nous a permis d'identifier quelques-unes des caractéristiques de la BPDO de 8356 qui pouvaient expliquer sa performance supérieure à celle de LB400. L'ensemble de nos résultats appuie l'hypothèse selon laquelle chacune des trois branches phylogénétiques auxquelles se rattachent les voies cataboliques du biphényle/chlorobiphényle aurait évolué de façon divergente chez les bactéries, en vue de servir chacune, une fonction écophysiologique distincte qui n'est pas liée à la dégradation du biphényle. Ceci implique que l'efficacité des procédés de rhizoremédiation dépend grandement des souches bactériennes choisies pour le traitement, celles-ci devant répondre adéquatement aux MPS produits par les plantes avec lesquelles on voudra les associer. Un deuxième objectif de notre travail était d'étudier le métabolisme des hydroxychlorobiphényles par la voie catabolique du biphényle. Nous avons comparé la capacité des souches B356 et LB400 à transformer quatre hydroxychlorobiphényles substitués en position para sur les deux noyaux (le 4,4 '-dihydroxybiphényle, le 4-hydroxy- 4'-chlorobiphényle, le 3-hydroxy-4,4'-dichlorobiphényle, et le 3,3'-dihydroxy-4,4'dichlorobiphényle). Pour chacun de ces quatre substrats, aucun des métabolites dihydrodihydroxybiphényles attendus n'a été détecté, mais plusieurs métabolites inattendus ont été détectés et identifiés. Les données suggèrent que les métabolites dihydrodihydroxy générés par ces contaminants sont instables et se réarrangent pour générer des métabolites culs-de-sac, dont certains pourraient être préoccupants pour l'environnement. L'étude apporte un nouvel éclairage sur le devenir de ces dérivés des polychlorobiphényles dans l'environnement.

The biphenyl catabolic pathway in bacteria has been extensive} y studied because of its ability to cometabolically degrade polychlorinated biphenyls (PCBs) and its potential application to manufacture fine chemicals. Although many achievements have been obtained, severa} problems need to be overcome before we cao use this pathway efficiently for both applications. With respect to the degradation of PCBs, the limited substrate range, the need for biphenyl to induce the pathway and for a carbon source to support bacterial growth are among the major factors that may limit the process. With respect to the use of the enzymes for manufacturing fine chemicals, the enzymes substrate range needs to be expanded and reaction rates toward the desired substrates need to be increased. Expanding the range of biphenyl analogs that the pathway enzymes cao metabolize will require enzyme engineering. However, severa} of the other problems that limit bacterial PCB remediation, may be overcome by exploiting a process, called rhizoremediation, which is based on the interaction between plants and their associated rhizobacteria. Plant exudates contain plant secondary metabolites (PSMs) that are known to promote the bacterial degradation of PCBs. However, the bases by which these chemicals interact with the biphenyl catabolic pathway are largely unknown. Therefore, successful application of the rhizoremediation process will require a better understanding about the mechanistic interactions between plants exudates and the biphenyl catabolic pathway of their associated bacteria. ldentifying the individual PSMs that may promote or induce PCB degradation may help to optimize the process. However, in order to help determining strategies that may further improve the rhizoremediation process, better knowledge about catalytic properties of the pathway enzymes toward these chemicals will be required. In this work, we focused on the biphenyl dioxygenase (BPDO) the first enzyme of the biphenyl catabolic pathway. This enzyme determines the range of biphenyl analogs that the pathway cao metabolize and it also catalyzes one of the most difficult biochemical reactions, the introduction of two oxygen atoms onto an aromatic ring structure. Given these premises, in this work, we have examined the interaction between the biphenyl catabolic pathway of three bacterial strains and selected biphenyl analogs, including flavonoids, diphenylmethane and benzophenone. Flavonoids are well-known PSMs whereas, diphenylmethane and benzophenone are both environmental contaminants and in addition, they may also serve as carbon skeleton for sorne PSMs. Precisely, we have determined 5 whether these compounds can induce the biphenyl catabolic pathway of Rhodococcus erythropolis U23A, Pandoraea pnomenusa B356, and Burkholderia xenovorans LB400 and we have verified whether their biphenyl catabolic enzymes can metabolize these compounds. Each of the three bacteria belongs to a different phylogenetic cluster with respect to their biphenyl-degrading pathway. Our data showed that among the tested flavonoids, flavanone and isoflavone were respectively, as potent as biphenyl to induce the PCB-degrading ability of strains U23A and B356. In addition, remarkably, diphenylmethane was able to not only induce the biphenyl pathway of strain B356 but also support its growth. However, none of the tested compounds were able to induce the biphenyl pathway of strain LB400. Although not ali of the tested compounds were able to either induce the biphenyl catabolic pathway or support the growth of the three bac teri al strains, they were ali cometabolized, though to various extents by their biphenyl degrading enzymes. When comparing the catalytic properties of B356 and LB400 BPDOs, notably, we found that unlike LB400 BPDO that metabolized these compounds poorly, those of B356 BPDO were in the same range as for biphenyl. Structural analysis of docked BPDOs allowed us to identify sorne of the B356 BPDO features that were responsible for its better performance than LB400 BPDO. Together, our results are consistent with the hypothesis that three phylogenetically distinct biphenyl/chlorobiphenyl-degrading pathways have evolved divergently in bacteria and each may serve distinct ecophysiological functions not related to biphenyl degradation. This implies that the efficiency of rhizoremediation processes will depend on the choice of appropriate bacterial strains responding to the specifie PSMs produced by the plants with which they are associated. A second objective of our work was to study the metabolism of hydroxychlorobiphenyls by the biphenyl catabolic pathway. We compared the ability of strain B356 and LB400 to transform four doubly para-substituted hydroxy-chlorobiphenyls ( 4,4' -dihydroxybiphenyl, 4-hydroxy-4 '-chlorobiphenyl, 3-hydroxy-4,4 '-dichlorobiphenyl and 3,3 '-dihydroxy-4,4' -dichlorobiphenyl). For ali four substrates, the expected dihydrodihydroxybiphenyl metabolites were not detected and unexpected metabolites were produced and identified. Data suggested that the dihydrodihydroxy metabolites generated from these environmental contaminants are unstable and they rearrange to generate dead-end metabolites that may be of concem for the environment. The study brings more insights about the likely fate of these polychlorobiphenyls derivatives in the environment.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Sylvestre, Michel
Mots-clés libres:	biphenyle ; BPC ; PCB ; flavonoide ; rhizoremediation ; bacterie ; degradation
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	17 mars 2016 20:30
Dernière modification:	02 mars 2022 18:02
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/3343

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