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By anne-marie.dubois - Posted on 15 février 2017

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Expertises

Ingénierie d'enzyme, biocatalyse
 
Centre INRS–Institut Armand-Frappier
Institut national de la recherche scientifique
531, boulevard des Prairies
Laval (Québec) H7V 1B7
CANADA
 
450 687-5010
 
 
 

 


 

Intérêt de recherche

 

Les micro-organismes sont les principaux agents responsables du recyclage de la matière organique. Ce cycle est possible à cause de la présence chez les microbes, de voies cataboliques diverses qui peuvent minéraliser la matière organique. Ces voies biochimiques fonctionnent grâce à la présence d’enzymes capables de catalyser efficacement l’oxydation biologique d’un très grand nombre de composés organiques. Cependant certains composés produits par synthèse chimique sont récalcitrants à la dégradation microbienne car les enzymes impliquées dans leurs dégradation sont incapables de catalyser les oxydations chimiques requises. Ces polluants sont souvent toxiques et s’accumulent. Des exemples de xénobiotes récalcitrants incluent les composés du groupe des biphényles polychlorés (BPC), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), des chlorodioxines et chlorodibenzofuranes, des chlorofluorocarbones (CFC), etc. La pollution causée par l’accumulation de ces composés xénobiotes touche toutes les sociétés industrialisées et se propage vers les zones reculées de la biosphère par voie atmosphérique.
 
Notre laboratoire s’intéresse à la biotechnologie environnementale. Plus particulièrement, nous consacrons nos efforts de recherches à développer des souches microbiennes douées de capacités cataboliques accrues envers les polluants récalcitrants. La première étape étant de comprendre comment les enzymes évoluent pour s’adapter à de nouveaux substrats. C'est-à-dire que nous cherchons à identifier quels sont les déterminants structuraux qui interagissent avec les composés organiques pour les lier au site actif et leurs donner une orientation optimal pour que la réaction catalytique se produise et nous cherchons à comprendre comment ces éléments structuraux peuvent être modifier pour que l’enzyme puisse accepter de nouveaux substrats.
 
Au cours des dernières années, nos travaux ont porté notamment sur la génétique et la biochimie de la dioxygénase du biphényle qui catalyse la première étape de la voie catabolique du biphényle qui sert aussi à la dégradation des BPC. Nous cherchons entre autres à identifier les déterminants structuraux régissant leur spécificité envers les congénères BPC. Le but ultime étant le développement par génie génétique d'une enzyme capable de dégrader efficacement ce polluant persistant.
 
D’autre part, l’utilisation d’enzymes pour la synthèse de produits chimiques fins est une alternative prometteuse pour réduire la consommation d’énergie et la pollution qui sont associées aux synthèses chimiques. La dioxygénase du biphényle est une enzyme qui pourrait servir à la synthèse de nouveaux composés d’intérêt pharmaceutique et agro-alimentaire. Dans ce contexte, notre laboratoire s’intéresse aussi à modifier la dioxygénase du biphényle par génie génétique pour modifier ses propriétés catalytiques envers des composés d’intérêt industriel.  Par exemple, cette enzyme pourrait servir à modifier la structure chimique de certains composés bioactifs pour augmenter leur activités biologiques. Les flavonoïdes qui sont produits par les plantes, sont un exemple de tels composés sur lequel nous travaillons présentement pour modifier leur propriétés biologiques.
 
Une autre enzyme qui fait l’objet d’étude dans notre laboratoire est la xylanase. Cette enzyme peut servir à plusieurs applications industrielles dont le blanchiment des pâtes pour la préparation du papier. En modifiant cette enzyme pour augmenter sa résistance à la chaleur et pour augmenter sa capacité catalytique de blanchiment des pâtes, nous pensons qu’il sera possible de remplacer les procédés actuels de blanchiment qui sont très polluants par un procédé biologique beaucoup plus respectueux de l’environnement.
 
Un autre volet de nos travaux vise à mieux comprendre comment les plantes interagissent avec les microorganismes du sol pour promouvoir la dégradation microbienne des polluants xénobiotiques. Plusieurs études démontrent que les bactéries ne sont pas les seuls responsables du recyclage de la matière organique. En effet, les plantes jouent un rôle très important dans le cycle des éléments. Un rôle important est de sécréter des composés chimiques qui stimulent la dégradation de la matière organique par les bactéries du sol. Les mécanismes par lesquels les plantes et les bactéries du sol interagissent pour dégrader la matière organique sont cependant très mal connus. Une meilleure connaissance de ces mécanismes nous permettra de développer des stratégies visant à restaurer plus efficacement les sites contaminés par des polluants dont les BPC.
 
La rhizosphère est la partie du sol qui est en contact intime avec les racines des plantes. La croissance et le métabolisme des bactéries de cette partie du sol sont favorisés par la production de composés chimiques que les plantes exsudent.  Notre laboratoire s’intéresse à identifier les composés chimiques exsudés par les plantes qui ont la propriété de promouvoir la dégradation microbienne des BPC. D’autre part comme les racines des plantes se dispersent en profondeur dans les sols, les plantes peuvent accéder plus facilement que les bactéries aux polluants présents dans les sols. Pour cette raison, nous avons cloné chez les plantes les gènes de la dioxygénase du biphényle afin de créer des plantes transgéniques qui initieraient la dégradation des BPC (fortement hydrophobes) pour exsuder les métabolites (plus hydrophiles) qui seraient dégradés par les bactéries de la rhizosphère.
 
 

Publications

 

Dhindwal S., Gomez-Gil L., Neau D. B., Pham T. T. M., Sylvestre M., Eltis L. D., Bolin J.T., Kumar P. 2016.The structural basis of the enhanced pollutant-degrading capabilities of an engineered biphenyl dioxygenase. J. Bacteriol. 198(10), 1499-1512

 

Pham, T. T. M., Pino Rodriguez, Hijiri, M, Sylvestre, M. 2015. Optimizing polychlorinated biphenyl degradation by flavonoid-induced cells of the rhizobacterium Rhodococcus erythropolis U23A. Plos One Published May13 2015, DOI: 101371/journal.pone.0126033.

 

Pham, T.T.M., Sondossi, M,, Sylvestre, M. 2015. The metabolism of doubly para-substituted hydroxychlorobiphenyls by bacterial biphenyl dioxygenases. Appl. Environ. Microbiol. 81, 4860-4872

 

Song, L. , Tsang, A. , Sylvestre, M. 2015. Engineering a thermostable fungal GH10 xylanase, importance of N-terminal amino acids. Biotechnol. Bioeng. 112(6), 1081-1091.

 

Pham, T. T. M. and Sylvestre, M, 2013. Has the bacterial biphenyl catabolic pathway evolved primarily to degrade biphenyl? The diphenylmethane case. J. Bacteriol. 195, 3563-3574.

 

Sylvestre, M. 2013. Prospects for using combined engineered bacterial enzymes and plant systems to rhizoremediate PCBs. Environmental Microbiology 15(3): 907-915.

 

Kumar, P., Mohammadi, M., Dhindwal, S., Pham, T.T.M., Bolin, J. T., Sylvestre, M. 2012. Structural insights into the metabolism of 2-chlorodibenzofuran by an evolved biphenyl dioxygenase. Biochem. Biophys. Res. Comm. 421, 757-762. http://www.sciencedirect.com/science/journal/aip/0006291X

 

Pham T.T. M.,  Tu, Y and Sylvestre, M. 2012.  Remarkable abilities of Pandoraea pnomenusa B356 biphenyl dioxygenase to metabolize simple flavonoids.  Appl. Environ. Microbiol.  78, 3560-3570. http://aem.asm.org/content/78/10/3560.abstract

 

Viger, J.F, Mhammadi, M, Barriault, D., Sylvestre, M. 2012. Metabolism of chlorobiphenyls by a variant biphenyl dioxygenase exhibiting enhanced activity toward dibenzofuran. Biochem. Biophys. Res. Comm. 419, 362-367 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006291X12002471?v=s5

 

Toussaint, J-P,  Pham, T.T.M., Barriault, D. and Sylvestre, M. 2012. Plant exudates promote PCB degradation by a rhodococcal rhizobacteria. Appl.Microbiol.Biotechnol. 95, 1589-1603. http://www.springerlink.com/content/l76x2t6521w4802h/

 

L'Abbée, J. B., Tu, Y. B., Barriault, D., Sylvestre, M. 2011. Insight into the metabolism of 1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane (DDT) by biphenyl dioxygenases Arch. Biochem. Biophys. 516, 35-44. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleListURL&_method=list&_ArticleListID=1854440595&_sort=r&_st=13&<??view=c&_acct=C000051292&_version=1&_urlVersion=0&_userid=1072239&md5=0fca32bbcfd4554<?>c156eadae6a2ab280&searchtype=a

 

Dhindwal, S., D. N. Patil, M. Mohammadi, M. Sylvestre, S. Tomar, and P. Kumar. 2011. Biochemical studies and ligand bound structures of biphenyl dehydrogenase from Pandoraea pnomenusa strain B-356 reveal a basis for broad specificity of the enzyme. J. Biol. Chem. 286, 37011-37022. http://www.jbc.org/content/286/42/37011.abstract?sid=9a7395c8-4e4c-460a-a69a-932c85d04095

 

Mohammadi, M.,  Viger, J.F., Kumar, P., Barriault, D., Bolin, J. T., Sylvestre, M. 2011. Retuning Rieske-type oxygenase to expand substrate range. J. Biol Chem. 286, 27612-27621. http://www.jbc.org/content/286/31/27612.abstract?sid=9a7395c8-4e4c-460a-a69a-932c85d04095

 

Kumar, P., Gomez-Gil, L., Mohammadi, M., Sylvestre, M., Eltis, L. D. and Bolin, J. T. 2011. Anaerobic crystallization and initial X-ray diffraction data of biphenyl 2,3-dioxygenase from Burkholderia xenovorans LB400: addition of agarose improved the quality of the crystals. Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun 67, 59-63. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1107/S1744309110043393/abstract

 

Kumar, P., Mohammadi, M., Viger, J.F., Barriault, D., Gomez-Gil, L., Eltis, L.D., Bolin, J. T., and Sylvestre, M. 2011. Structural insight into the expanded PCB-degrading abilities of a biphenyl dioxygenase obtained by directed evolution. J. Mol. Biol. 405, 531-547. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002228361001209X

 

Sylvestre, M. and Toussaint, J.P. 2011. Engineering microbial enzymes and plants to promote PCB degradation in soil: Current state of knowledge. In: Microbial Bioremediation of Non-metals: Current Research, Koukkou, A.I. ed. Chapter 8, pp. 177-196. Caister Academic Press, http://www.horizonpress.com/bioremediation

 

Patil, D. N., Tomar, S., Sylvestre,M. And Kumar, P. 2010. Expression, purification, crystallization and preliminary crystallographic studies of cis-biphenyl-2,3-dihydrodiol-2,3-dehydrogenase from Pandoraea pnomenusa B-356. Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun 66, 1517-1520. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1107/S1744309110036894/abstract


Sylvestre M, Macek T, Mackova, M. 2009. Transgenic plants to improve rhizoremediation of polychlorinated biphenyls (PCBs). Curr Opin Biotechnol 20, 242-247. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166909000081

 

Vézina, J., Barriault, D., and Sylvestre. M. 2008. Diversity of the C-terminal portion of the biphenyl dioxygenase large subunit. J. Mol. Microbiol. Biotechnol.15, 139-151.

 

Mohammadi, M., Chalavi, V., Surra, M., Laliberté, J.F, Sylvestre, M. 2007. Expression of the bacterial biphenyl-chlorobiphenyl dioxygenase into tobacco plants. Biotechnol Bioeng 97: 496-505. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.21188/abstract

 

Vézina, J. and Sylvestre M. 2007. Shuffling soil DNA to change the substrate regiospecificity of the biphenyl dioxygenase. J. Bacteriol 189: 779-788. http://jb.asm.org/content/189/3/779.abstract

 

Gomez, L, Barriault, D., Sylvestre, M and Eltis L. 2007. Characterization of Biphenyl Dioxygenase of Comamonas testosteroni B-356 as a Potent Polychlorinated Biphenyl-Degrading Enzyme. J. Bacteriol. 189: 5705-5715.

 

Macková, M., Vrchotová, B., Francová, K., Sylvestre, M., Tomaniová, M., Lovecká, P., Demnerová, K., and Macek, T. 2006. Biotransformation of PCBs by plants and bacteria – consequences of plant-microbe interactions. Europ. J. Soil. Biol. 43:233-241

 

Mackova, M., Barriault, D., Francová, K., Sylvestre, M., Möder, M., Vrchotová, B., Lovecká, P., Najmanova, J., Demnerova K., Sura, M., Rezek, J., Macek, T. 2006. Phytoremediation of polychlorinated biphenyls. In Phytoremediation and Rhizoremediation, Mackova, M., Dowling, D., Macek, T. eds., Series: Focus on Biotechnology, Vol. 9A Chap. 12. Springer, Life Sciences

 

L’Abbée, J and. Sylvestre, M. 2005. Metabolism of dibenzofuran and dibenzo-p-dioxin by the biphenyl dioxygenase of Burkholderia xenovorans LB400 and Comamonas testosteroni B-356. Appl. Microbiol. Biotech. 67: 506-514.

 

Macek, T., Surá, M., Pavliková, D., Francová, K., Scouten, W.H., Szekeres, M., Sylvestre, M. and Macková, M. 2005. Can Tobacco Have Potentially Beneficial Effect to our Health? Z. Naturforschung C 60: 292-299.

 

Mohammadi, M. and Sylvestre, M. 2005. Resolving the Profile of Metabolites Generated during Oxidation of Dibenzofuran and Chlorodibenzofurans by the Biphenyl Catabolic Pathway Enzymes. Chem Biol 12, 835-846.

 

Barriault, D., F. Lépine, M. Mohammadi, S. Milot, N. Leberre, and Sylvestre, M. 2004.  Revisiting the regiospecificity of Burkholderia xenovorans LB400 biphenyl dioxygenase toward 2,2'-dichlorobiphenyl and 2,3,2',3'-tetrachlorobiphenyl. J. Biol. Chem. 279(46): 47489-47496.

 

Barriault, D., and Sylvestre, M. 2004.  Evolution of the biphenyl dioxygenase BphA from Burkholderia xenovorans LB400 by random mutagenesis of multiple sites in region III. J. Biol. Chem. 279(46): 47480-47488.

Song, L. , Tsang, A. , Sylvestre, M. 2015. Engineering a thermostable fungal GH10 xylanase, importance of N-terminal amino acids. Biotechnol. Bioeng.  01/2015; DOI: 10.1002/bit.25533

 

 

Fonction et biographie

 

Michel Sylvestre a obtenu une maîtrise en microbiologie de l’Université de Montréal et un doctorat en Microbiologie et en Biochimie Pharmaceutique de l'Université du Wisconsin a Madison (USA). De 1974 à 1987 il a été professeur agrégé à l'Institut Armand-Frappier où il a initié ses travaux sur les transformations microbiennes des polluants. Il a poursuivit ces travux à titre de professeur titulaire à l'INRS-santé de 1987 à 1998 et depuis 1998, il est professeur titutlaire à l'INRS-Institut Armand-Frappier.

Depuis 1992, Michel Sylvestre est éditeur pour "International Biodeterioration and Biodegradation" la revue officielle de "International Biodeterioration and Biodegradation Society" publiée par Elsevier.

 

Activités d'enseignement

 

RESPONSABLE Cours MBA6027 - Microbiologie de l'environnement

 

 

Projets récents

 

Ingénierie de la dioxygénase du biphényle

 

Ingénierie de la xylanase

  

Identification de métabolites de plantes qui induisent la dégradation bactérienne des BPC.

 

 

 

English

 

Research Interest

Microorganisms are major contributors for the recycling of organic compounds in the environment. Microbial activities which are directed through various catabolic pathways result in the complete mineralization of most organic compounds. However, several synthetic compounds are very resistant to microbial degradation, thus they accumulate in the environment. Many of these compounds are toxic. Examples include polychlorinated biphenyls (PCBs), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), chlorodibenzofurans, chlorodioxins, etc. These compounds are ubiquitous as they are disseminated from industrial countries to the less populated parts of the earth.

Our laboratory is interested in area of environmental biotechnology addressing the problem of persistent pollutants. The development of bacterial strains with enhanced abilities to degrade pollutants is a pre-requisite for the design of bioremediation processes. Currently, we investigate several aspects of the biphenyl catabolic pathway which is involved in PCB degradation. We also have ongoing projects aiming at understanding how plants interact with bacteria to promote the catalytic activities of the bacterial enzymes involved in degradation of xenobiotics.

In recent years, we have focussed on the biphenyl dioxygenase, which is the first enzyme of the biphenyl catabolic pathway, in an effort to yield insights into the molecular bases of its substrate preferences. The ultimate goal is the development of strategies for engineering enzymes exhibiting enhanced catalytic activities towards chlorobiphenyls.

With respect to plant-microbes interactions, our goals are to find ways of using plants to promote PCB degradation by the rhizosphere bacteria. The rhizosphere is the portion of the soil that is in direct contact with the plant root system. Plants exude chemicals that promote growth and metabolism of the bacteria living in the rhizosphere. One of our current goals is to identify some of the plant chemicals that promote PCB degradation in order to apply these knowledge to novel PCB bioremediation processes. Furthermore, plant root system can reach very profound depths in soils and thus roots have easily access to portions of soil that bacteria by themselves would take long time to reach. For this reason, another objective is to clone in plants the bacterial genes involved in PCB degradation, specially the biphenyl dioxygenase genes. The rational is to use transgenic plants that can initiate PCB degradation producing hydrophilic metabolites that are expected to be exuded from roots and then to diffuse in the rhizosphere for bacterial degradation.

 

Biography

Following its BSc and MSc degrees obtained from the University of Montreal, Pr. Michel Sylvestre got a Ph.D. degree with a joint major in Microbiology and Pharmaceutical Biochemistry from the University of Wisconsin (Madison, USA) in 1974. That same year he was appointed as professor at INRS-Institut Armand-Frappier where he initiated studies on microbial transformation of xenobiotics. He became full Professor in 1987.

Since 1992, Michel Sylvestre is Editor for "International Biodeterioration and Biodegradation" published by Elsevier and which is the official journal for the "International Biodeterioration and Biodegradation Society".