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Réaction en direct avec des métalloenzymes artificielles

Jacques Haas

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Réaction en direct avec des métalloenzymes artificielles

Les métalloenzymes artificielles sont constituées d'un catalyseur (site actif) inséré dans une enveloppe protéique inactive.

© CEA/CNRS/Université Joseph Fourier

Des chercheurs ont combiné la cristallographie avec la chimie biomimétique pour observer aux rayons X les étapes de l'activation de l'oxygène. Une réaction clé pour de nombreux processus du vivant, mais aussi très recherchée en chimie.

Imaginez une cage où une réaction chimique serait observable de bout en bout grâce à la cristallographie aux rayons X. C'est le dispositif développé par des chercheurs du CEA, de l'université Joseph Fourier à Grenoble (Isère) et du CNRS, et qui repose sur l'utilisation de catalyseurs d'un nouveau genre : les métallo- enzymes. A l'origine de leur travail, il y a un constat. « La nature a développé des solutions pour catalyser la synthèse de certains énantiomères (molécules isomères, images l'une de l'autre dans un miroir, ndlr) et pas d'autres. Notre travail consiste à s'inspirer de ces mécanismes pour les reproduire », explique Stéphane Ménage, chercheur CNRS au sein de l'équipe Chimie redox bio inspirée du laboratoire de chimie et biologie des métaux à l'IRTSV (Institut de recherches en technologies et sciences pour le vivant). « L'avantage de la biocatalyse est double : d'une part, la réaction peut se dérouler dans l'eau à basse température, et ne nécessite donc pas de solvants polluants ou des températures élevées. D'autre part, la biocatalyse est sélective, elle permet d'obtenir plus facilement un énantiomère plutôt qu'un autre », détaille Stéphane Ménage.

Dans une synthèse classique de molécules chirales, les deux énantiomères sont souvent produits indifféremment. Or, pour des applications pharmaceutiques par exemple, un seul énantiomère présente un intérêt. Pour l'isoler, une séparation dans une colonne chirale est alors nécessaire. Un surcoût qu'un procédé catalytique par métalloenzymes permet d'éviter. En effet, dans la nature, les métalloenzymes sont constituées d'un polypeptide qui entoure un catalyseur métallique. Cette disposition l'isole du milieu tout en permettant aux réactifs d'accéder au catalyseur, accélérant ainsi la réaction. La configuration du peptide, chirale, favorise une réaction énantiomérique par rapport à l'autre. Bien plus efficace que la catalyse homogène, moins sélective et qui pose des problèmes de stabilité des catalyseurs. 

La protéine, moule chiral

Les chimistes connaissaient déjà la combinaison entre un métal et un ligand organique. De là l'idée de fabriquer des métalloenzymes artificielles, c'est-à-dire avec un catalyseur placé dans une enveloppe protéique inactive. Le catalyseur joue le rôle du site actif chez une enzyme. La structure protéique contrôle la production de la forme d'intérêt et l'efficacité de la réaction, « une sorte de moule chiral », précise Stéphane Ménage.

L'équipe travaille sur ce sujet depuis 2007. Elle cherche à reproduire une réaction très présente dans les cellules vivantes, l'activation de l'oxygène moléculaire pour des réactions d'insertion dans des liaisons C-H. « C'est une réaction qu'on ne maîtrise pas bien en catalyse, car il faut la réaliser dans un solvant en présence d'un réducteur et d'un oxydant. Ce dernier réagit d'abord avec les atomes d'oxygène qui sont normalement destinés au substrat. La réaction est donc peu efficace », déplore Stéphane Ménage. Pour mimer cette réaction, les chercheurs ont introduit un cycle aromatique, substrat de la réaction, dans un complexe de fer, et inséré le tout dans une protéine support. Cette protéine permet le transport du nickel chez la bactérie Escherichia Coli ; elle ne perturbe donc pas la réaction voulue. Les chercheurs ont ensuite cristallisé leur métalloenzyme artificielle. L'oxygène moléculaire diffuse près du fer, et l'oxygène atomique produit s'insère dans une liaison C-H du cycle aromatique, donnant un phénol. L'évolution de cette réaction au sein du cristal est suivie en cristallographie aux rayons X. « Le cristal est une phase solide qui fixe le système. Dans le cristal, il est possible de savoir où se situe chaque atome. A partir de là, on peut suivre chaque étape de la réaction, et où va se fixer l'oxygène atomique généré », se réjouit Stéphane Ménage. L'ensemble se comporte un peu comme une éponge cristalline. Les protéines contiennent de l'eau, ce qui permet la diffusion des substrats et des intermédiaires de la réaction. Une structure différente des cristaux classiques. « Un cristal ordinaire est plus compact et plus rigide qu'un cristal de protéines. Par conséquent, il ne permet pas la diffusion des réactifs de la réaction. Et si cette diffusion réussit, la structure du cristal est changée, ce qui rend impossible un suivi de la réaction par cristallographie aux rayons X », explique Stéphane Ménage. Le travail de recherche des ligands adaptés représente la limite la plus sérieuse au développement de métalloenzymes pour d'autres réactions. « Il faut trouver un couple protéine/catalyseur de telle manière que le catalyseur puisse s'insérer dans la protéine. Ensuite, il faut l'optimiser en fonction l'énantiomère qu'on veut obtenir », précise Stéphane Ménage. Cette démarche est à mettre en parallèle avec l'optimisation en biocatalyse, où il s'agit de changer les acides aminés autour du site actif pour améliorer l'efficacité de la réaction souhaitée. Une fois le bon couple trouvé, l'industrialisation est possible, comme pour d'autres réactions de biocatalyse existantes. La réaction d'activation de l'oxygène moléculaire possède un fort potentiel en chimie : elle sert aussi bien à la transformation d'un alcane en alcool, qu'à celle d'un alcène en époxyde. L'équipe de Stéphane Ménage travaille maintenant à adapter la réaction d'activation de l'oxygène moléculaire pour former des sulfoxydes à partir de soufre. Des tests sont en cours pour savoir s'il est possible d'obtenir une seule forme énantiomérique.


Métalloenzymes artificielles cristallisées.

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