Ainsi, la capacité de créer sur demande des enzymes artificielles efficaces, qui ouvrirait la porte à un monde d’applications en chimie et en biotechnologie, est hautement convoitée. L’un des principaux axes de recherche du professeur Roberto Chica porte sur le développement d’algorithmes de conception informatique robustes visant la création de biocatalyseurs artificiels hautement actifs aux fins de réactions chimiques très utiles. Certains groupes ont déjà réussi à concevoir des enzymes artificielles; toutefois, en raison de leur faible efficacité catalytique, il faut soumettre celles-ci à une évolution dirigée pour améliorer leur activité. Dans une récente collaboration avec le professeur James Fraser (Université de Californie à San Francisco), le professeur Chica et son groupe se sont penchés sur les effets de l’évolution dirigée sur l’amélioration de l’efficacité catalytique d’une famille d’enzymes artificielles. Leurs observations leur ont permis de concevoir un biocatalyseur artificiel dont l’efficacité catalytique rivalise avec celle des enzymes naturelles.
En collaboration avec le professeur Fraser, le professeur Chica a utilisé la cristallographie aux rayons X à température ambiante pour étudier les changements structuraux de l’enzyme artificielle HG3 durant sa trajectoire évolutive. Il a observé que certains éléments du site actif de l’enzyme s’étaient modifiés pour rehausser l’efficacité catalytique : les résidus catalytiques s’étaient rigidifiés, l’organisation préalable du site s’était améliorée et son entrée s’était élargie. Partant de ces observations, le professeur Chica et son groupe ont conçu HG4, un biocatalyseur efficace contenant les principales mutations relevées durant les expériences sur l’évolution, qui est 700 fois plus active que sa prédécesseure HG3. Les structures de l’enzyme HG4 révèlent que son site actif était déjà organisé et rigidifié de manière à favoriser l’efficacité de la catalyse, contrairement à celui de l’enzyme HG3. Les résultats du professeur Chica montrent que l’évolution dirigée améliore l’efficacité catalytique en modifiant les ensembles conformationnels pour favoriser les états propices à la catalyse.
En utilisant les résultats de l’analyse de cristallographie aux rayons X de la trajectoire évolutionnaire de l’enzyme HG3, le groupe du professeur Chica a conçu une méthode d’ingénierie enzymatique inégalée. Grâce à la modélisation de données structurales, elle permet l’échantillonnage d’états propices à la catalyse lors de la conception. Cette procédure de conception d’enzyme fondée sur l’ensemble a servi à prédire avec exactitude la structure de l’enzyme HG4. Une telle découverte représente une avancée majeure dans le domaine, car elle prouve que des biocatalyseurs hautement actifs peuvent être conçus sans passer par le processus laborieux de l’évolution dirigée, une prouesse jusqu’ici jugée impossible. Le professeur Chica et son équipe ont publié cette réussite enthousiasmante dans la prestigieuse revue Nature Communications. Leur article figure parmi les publications ayant une importance particulière pour leur domaine selon F1000 (premier percentile) et a été cité dans Nature Catalysis.
