New biocatalysts mimicking oxidative hemoproteins: Hemoabzymes

Catalytic antibodies with a metalloporphyrin cofactor or “hemoabzymes”, used as models for hemoproteins like peroxidases and cytochrome P450s, represent a promising route to catalysts tailored for selective oxidation reactions.The first strategy has been to produce anti-porphyrin antibodies, raised against various N-substituted- and meso-carboxyaryl-porphyrins, which led to monoclonal antibodies exhibiting, in the presence of the corresponding iron-porphyrin cofactor, a significant peroxidase activity. We ourselves obtained an artificial hemoprotein by associating a monoclonal antibody, 13G10, and its iron(III)-α,α,α,β-meso-tetrakis(ortho-carboxyphenyl)porphyrin (Fe(ToCPP)) hapten, which exhibited a significant peroxidase activity. Biological studies suggested that in this antibody, a carboxylic acid side chain of the protein participated in the catalysis, but no amino acid residue acting as an axial ligand of the iron was detected. Therefore, to provide the iron atom with an axial ligand, we raised antibodies against microperoxidase 8, a heme octapeptide containing a histidine bound to the iron atom.This strategy was successful, as an antibody–microperoxidase 8 complex (3A3–MP8) led to the best kcat/Km ever reported for antibody–porphyrin complexes. The ability of the 3A3–MP8 complex to catalyze the selective oxidation of substrates was studied and it was found able to catalyze the regioselective nitration of aromatics by NO2−/H2O2 as well as the stereoselective oxidation of sulfides like thioanisole by H2O2.Other strategies based on antibodies have to be developed to obtain more efficient biomimetic systems for cytochrome P450s. A first one could involve the modification of anti-substrate antibodies by covalent linkage of an iron(III)-porphyrin close to the binding site of the substrate, to obtain an artificial hemoprotein able to catalyze its regioselective oxidation.

RésuméLes anticorps catalytiques à cofacteur métalloporphyrinique ou “hémoabzymes”, utilisés comme modèles d'hémoproteines telles que les peroxydases et les cytochromes P450, représentent une voie prometteuse vers l’élaboration de catalyseurs sur mesure pour les réactions d'oxydation sélective.La première stratégie a consisté à produire des anticorps anti-porphyrine, dirigés contre diverses porphyrines méso-carboxyaryl- et N-substitutées, qui ont conduit à des anticorps monoclonaux montrant, en présence du cofacteur porphyrine de fer correspondant, une bonne activité peroxydasique. Nous avons nous mêmes obtenu une nouvelle hémoprotéine artificielle, en associant un anticorps monoclonal, 13G10, et son haptène l’α,α,α,β-méso-tetrakis(ortho-carboxyphenyl)porphyrine de fer (Fe(ToCPP)), qui a montré une activité peroxydasique intéressante. Des études biologiques ont suggéré que, dans cet anticorps, une chaîne latérale acide carboxylique de la protéine participait à la catalyse, mais qu'aucun amino-acide ne venait coordiner le fer en position axiale. Ainsi, pour apporter un ligand axial à l'atome de fer, nous avons produit des anticorps contre la microperoxydase 8, un hème octapeptide contenant une histidine liée à l'atome de fer.Cette stratégie s'est révélée fructueuse, puisqu'un complexe anticorps–microperoxydase 8 (3A3–MP8) a conduit à la meilleure efficacité molaire kcat/Km jamais décrite pour un complexe anticorps–porphyrine. L'aptitude du complexe 3A3–MP8 à catalyser l'oxydation sélective de substrats a été étudiée, et il s'est avéré capable de catalyser la nitration régioselective des aromatiques by NO2−/H2O2 ainsi que l'oxydation stéréosélective des sulfures comme le thioanisole par H2O2.D'autres stratégies basées sur les anticorps doivent être développées pour obtenir des systèmes biomimétiques plus performants pour les cytochromes P450. La première pourrait impliquer la modification d'anticorps anti-substrat par greffage covalent d'une porphyrine de fer à proximité du site de liaison du substrat, pour obtenir une hémoproteine artificielle capable de catalyser son oxidation régiosélective.