La biocatalyse s'appuie sur les remarquables propriétés des enzymes pour réaliser des réactions chimiques avec une grande efficacité et une forte sélectivité. Elle constitue un outil de choix pour la synthèse de molécules complexes, notamment lorsque l'on souhaite produire de manière préférentielle un seul énantiomère, un enjeu majeur en
chimie fine* et en développement pharmaceutique. Afin d'élargir le champ des réactions catalytiques accessibles, les chercheurs développent des métalloenzymes artificielles, qui combinent la sélectivité des enzymes avec la réactivité des catalyseurs inorganiques.
Dans cette étude, les chercheurs du
CEA-Irig/LCBM ont franchi une nouvelle étape originale dans la conception de métalloenzymes artificielles en construisant directement un site actif inorganique au sein de cristaux de protéines. Après stabilisation de
cristaux réticulés* de la protéine
NikA* (CLEC), un
complexe de manganèse de type Salen* (Mn(Salen)) a été greffé de manière covalente sur un acide aminé, une cystéine introduite spécifiquement dans la protéine. Cette stratégie permet de sélectionner pour le site actif un nouvel environnement protéique organisé, permettant de catalyser une réaction d'époxydation énantiosélective.
Grâce à ce nouveau site actif artificiel, la métalloenzyme obtenue catalyse l'époxydation du
cis-β-méthylstyrène* avec une forte énantiosélectivité, atteignant jusqu'à 90 % d'excès énantiomérique. Ces résultats montrent que des CLEC peuvent constituer une plateforme efficace pour concevoir des
catalyseurs biohybrides* associant les propriétés d'une protéine à celles d'un complexe inorganique. Leur utilisation sous forme de
catalyseur hétérogène* ouvre également la possibilité de récupérer et de réutiliser ces biocatalyseurs.
© CEA-Irig/LCBM/BioCE
Figure: Stabilisation du système, création du site catalytique et réaction de catalyse, le tout directement dans un cristal.
Cette étude démontre le potentiel des cristaux d'enzymes réticulés comme plateforme pour concevoir de nouvelles métalloenzymes artificielles. En permettant de construire directement un site actif artificiel au sein d'une matrice protéique stabilisée, cette approche associe la sélectivité d'une enzyme à la réactivité d'un catalyseur inorganique issu de la chimie, tout en offrant les avantages d'un catalyseur hétérogène récupérable et réutilisable.
Métalloenzyme artificielle* : Catalyseur hybride associant une protéine et un complexe métallique. Cette approche vise à créer de nouvelles fonctions catalytiques en combinant la sélectivité des enzymes avec la réactivité des catalyseurs métalliques.
Époxydation* : ajout d'un atome d'oxygène sur une double liaison entre deux atomes de carbone au sein d'hydrocarbures insaturés formant un cycle à trois atomes appelé un époxyde.
Énantiosélectivité* : Capacité d'un catalyseur à favoriser de manière préférentielle la formation d'une des deux formes tridimensionnelles (énantiomères) d'une même molécule. Cette sélectivité est essentielle lorsque les deux énantiomères présentent des propriétés biologiques différentes.
Chimie fine* : Branche de la chimie qui conçoit et fabrique des molécules complexes, pures et à forte valeur ajoutée, généralement produites en faibles ou moyennes quantités. Ces molécules sont destinées à différents secteurs : pharmacie, agrochimie, cosmétique, électronique, parfumerie, etc. L'accent est mis sur la maîtrise des procédés de synthèse, la qualité, la pureté et la reproductibilité. La chimie pharmaceutique en est un exemple.
Cristaux d'enzymes réticulés* (Cross-Linked Enzyme Crystals – CLEC)* : Cristaux d'enzymes stabilisés par des liaisons chimiques entre les molécules de protéines. Cette approche permet de préserver l'organisation de la protéine tout en améliorant sa stabilité et en facilitant son utilisation comme catalyseur récupérable et réutilisable.
NikA* : Protéine présente chez la bactérie Escherichia coli capable de transporter les ions nickel (Ni2+) à travers la membrane.
Complexe de manganèse de type Salen* : Complexe inorganique contenant un ion manganèse maintenu au centre d'une pince moléculaire par un ligand de type Salen.
Cis-β-méthylstyrène* : alcène aromatique dérivé du styrène, utilisé comme modèle pour évaluer l'efficacité et la sélectivité du catalyseur.
Catalyseur biohybride* : Catalyseur combinant des composants d'origine biologique, comme des protéines ou des enzymes, avec des composants synthétiques, comme des complexes métalliques, afin de créer de nouvelles propriétés catalytiques.
Catalyse hétérogène* : Procédé catalytique dans lequel le catalyseur se trouve dans une phase différente de celle des réactifs, par exemple sous forme solide dans un milieu réactionnel liquide. Cette méthodologie facilite la récupération et la réutilisation du catalyseur.
UMR :
LCBM - UGA, CNRS, CEA, UMR 5249.
Financements : Agence Nationale de la Recherche (ANR-18-CE07-0034-2 PRC NI(k)AGARA) (France), LabEx ARCANE program (ANR-11-LABX-0003-01) (France), Graduate School on Chemistry, Biology and Health of Univ Grenoble Alpes CBH-EUR-GS (ANR-17-EURE-0003) (France).