Enzyme et métal combinés pour les catalyseurs du futur
Le meilleur des deux mondes
En tant que biocatalyseurs, les enzymes gèrent le métabolisme de tous les êtres vivants. Elles le font avec une extrême précision, car une seule substance mal transformée pourrait avoir des conséquences fatales pour l'organisme. De jeunes chercheurs du Campus scientifique Leibniz ComBioCat utilisent cette approche sélective des enzymes et des protéines en général pour développer les catalyseurs du futur : les métalloenzymes artificielles. À l'avenir, des combinaisons de catalyseurs biologiques et chimiques seront utilisées pour concevoir des molécules complexes, par exemple pour des produits pharmaceutiques, de manière ciblée et fiable.
Le catalyseur au cuivre, la partie chimique du futur métalloenzyme, est testé, notamment dans une solution d'alcènes cycliques. La réaction démarre sous la lumière UV.
LIKAT/Maslack
Le meilleur des deux mondes
À l'Institut Leibniz de catalyse de Rostock, le LIKAT, le doctorant Paul Hünemörder est en train de relier un catalyseur de cuivre à une enzyme ou à une protéine dans le cadre du ScienceCampus ComBioCat. Le nouveau catalyseur est destiné à combiner "le meilleur des deux mondes", pour ainsi dire, explique-t-il. "Les catalyseurs chimiques fonctionnent rapidement et produisent des rendements élevés, mais malheureusement, ils produisent aussi des sous-produits indésirables au cours du processus." Cela ne se produit pas avec les biomolécules, dit-il, car elles sont "hautement sélectives".
Le développement des métalloenzymes est un nouveau domaine de recherche en chimie. Au LIKAT, des travaux sont en cours dans le groupe de recherche d'Esteban Mejìa, directeur de thèse de Paul Hünemörder. "L'astuce consiste à trouver des points de connexion au niveau moléculaire où la protéine et le métal peuvent être liés", explique Esteban Mejìa. Aucune métalloenzyme artificielle n'est encore utilisée à des fins industrielles. Selon Mejìa et Hünemörder, elles ont également échoué jusqu'à présent car "les protéines doivent être modifiées, c'est-à-dire génétiquement modifiées, à cette fin." Cela les rend trop chères pour une utilisation généralisée.
Des enzymes de la nature
Du point de vue chimique, Paul Hünemörder a opté pour le cuivre comme centre réactif. La recherche d'une enzyme appropriée a été confiée à des biochimistes de l'université de Greifswald. Ils ont choisi une protéine appelée Lactococcus Multidrug Resistance Regulator, ou LmrR en abrégé. En tant que protéine, elle provoque une résistance aux antibiotiques chez les bactéries lactiques. Son avantage est qu'elle peut être utilisée telle qu'elle existe dans la nature et qu'elle ne doit pas être modifiée génétiquement.
Les protéines obtiennent leur effet principalement grâce à leur repliement complexe, leur structure protéique. Dans le cas de LmrR, cela crée une poche plate, "une sorte de fente", comme le dit Paul Hünemörder. Cela lui a donné l'idée d'enfoncer la partie synthétique du catalyseur, avec un atome de cuivre au centre, dans cette fente comme une pièce de monnaie et de la relier à la protéine de cette manière.
Un corset pour l'atome de cuivre
La condition préalable est une sorte de corset pour l'atome de cuivre, un cadre de catalyseur, ou ligand dans le jargon technique. Selon Paul Hünemörder, la recherche d'une substance appropriée s'est avérée assez difficile. La seule substance appropriée était la terpyridine, un ligand en pince, appelé ainsi parce que sa forme lui permet de pincer le catalyseur.
"Mais le plus important est que ce ligand donne au système de cuivre une structure très plate", explique Paul Hünemörder. "Ce qui fait que le catalyseur s'adapte parfaitement à la 'fente' de l'enzyme". D'après les premiers tests, cela semble également fonctionner. À l'avenir, le métalloenzyme, qui dans ce cas est à proprement parler une "métalloprotéine", transformera les alcènes dits cycliques en précurseurs et intermédiaires pour les produits pharmaceutiques. Quel avantage y trouve-t-on ?
Image et réflexion
En termes de structure, les alcènes cycliques existent souvent à gauche et à droite, que l'on peut imaginer comme une image et une image miroir. Dans la nature, les enzymes, avec leur action catalytique très précise, veillent à ce qu'une seule variante, la "vraie", soit produite. Dans une synthèse chimique, en revanche, les deux variantes peuvent être produites. Chimiquement, elles sont totalement identiques, mais dans leurs effets physiologiques, elles diffèrent parfois de façon spectaculaire.
Dans les années 1950, la thalidomide, un analgésique, a provoqué de graves malformations chez les enfants à naître, car elle entraînait la formation d'une variante moléculaire en miroir dans l'organisme de la femme enceinte. Dans l'industrie, de tels produits finis doivent donc parfois être séparés à grands frais pour que la variante moléculaire souhaitée puisse être utilisée.
C'est précisément ce que l'utilisation d'un métalloenzyme artificiel permettrait d'éliminer. L'objectif des travaux menés à Rostock et Greifswald est de faire en sorte que le mode de fonctionnement sélectif de la protéine LmrR ne produise que la forme souhaitée des produits intermédiaires. Les chimistes qualifient donc cette réaction d'asymétrique.
Recherche sur le mécanisme
Le centre de cuivre du catalyseur fait maintenant son travail "rapidement et de manière fiable", comme Paul Hünemörder et son groupe de recherche d'étudiants ont pu le démontrer en laboratoire. Il s'agit maintenant de prouver que la partie protéique du nouveau catalyseur fonctionne également, c'est-à-dire qu'elle reconnaît la "main" des matières premières et ne laisse réagir que la "bonne" variante. Paul Hünemörder attend un résultat à l'automne.
Les chercheurs sont convaincus que les métalloenzymes artificielles donneront à l'industrie chimique un avantage décisif à l'avenir. Et le travail est aussi un gain théorique. Lors de l'analyse du mécanisme de réaction, les jeunes chimistes ont identifié un intermédiaire qui s'est avéré essentiel pour le processus chimique mais qui n'avait pas joué de rôle jusqu'ici dans la littérature technique. Ces résultats pourraient aider à transférer le principe de la réaction à d'autres classes de substances.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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