L'équipe « Bioénergie et environnement » s’intéresse à la bio-activation de petites molécules par des métalloenzymes et des micro-organismes anaérobies. Les thématiques sont centrées autour de l'étude du métabolisme énergétique de microorganismes capables de métaboliser des gaz (CO, CO₂, CH₄, H₂). Les microorganismes modèles seront les deux bactéries photosynthétiques Rhobobacter capsultatus et Rhodospirillum rubrum et l'archée méthanogène Methanococcus maripaludis. La compréhension des mécanismes enzymatiques mis en jeu dans ces processus ainsi que l’optimisation de procédés catalytiques pour des applications en chimie durable sont au cœur des préoccupations de l’équipe.

Optimisation de la réaction biologique du gaz à l'eau, une réaction clé dans la synthèse des carburants verts
Le gaz de synthèse ou syngaz (principalement composé de CO, H₂ et CO₂) est un substrat peu coûteux et polyvalent. Généré principalement à partir d’énergies fossiles, ce syngaz peut être obtenu à partir de toute matière première carbonée, permettant ainsi une transition progressive vers une énergie plus durable, grâce au développement de la gazéification de biomasse ou de déchets. Ce gaz de synthèse peut être utilisé pour de nombreuses applications, telles que la synthèse de carburants liquides, de molécules plateforme pour la chimie ou de gaz (H₂ et bio-méthane). Cependant, chaque application requiert des exigences différentes quant à sa composition. En particulier, l'obtention d'un ratio H₂/CO précis est une exigence majeure, obtenu grâce à un processus d'enrichissement en H₂. Dans l'industrie, la réaction de déplacement eau-gaz (WGSR, CO + H₂O-> CO₂ + H₂) joue un rôle primordial pour équilibrer le ratio H₂/CO. Le syngaz a été très largement utilisédans un éventail d'applications au cours des dernières décennies, incitant ainsi à l’utilisation des micro-organismes anaérobies capables de croître sur CO et/ou H₂. Parmi eux, les carboxydotrophes hydrogenogènes tels que Rhodospirillum rubrum sont capables d'utiliser le CO comme seule source d'énergie grâce à la WGSR biologique, une alternative verte à la réaction industrielle. La WGSR biologique est catalysée par un complexe multiprotéique constitué d'une monoxyde de carbone déshydrogénase (CODH), d'une ferrédoxine CooF (Fd) et d'une NiFe-hydrogénase (ECH) résistante au CO. Le CO est oxydé par la CODH, libérant des électrons utilisés pour la réduction de deux protons en dihydrogène, catalysée par l'hydrogénase. La ferrédoxine CooF transfère des électrons du CODH vers l'ECH. D'un point de vue fondamental, la compréhension des différents partenaires impliqués dans le métabolisme du CO, et en particulier dans le WGSR, est un défi. En effet, les enzymes contiennent des cofacteurs multimétalliques très complexes et sensibles à l'oxygène. Notre projet est basé sur une approche multidisciplinaire, utilisant des méthodes spectroscopiques, biochimiques, protéomiques, nanotechnologiques et structurales afin de comprendre la WGSR biologique au niveau moléculaire et d'optimiser son efficacité pour son utilisation potentielle dans les processus de valorisation de la biomasse.

Photoproduction de H₂ par Rhodobacter capsulatus
Différentes stratégies peuvent être utilisées pour produire de l'hydrogène vert à partir de ressources renouvelables, dont des approches biologiques et plus particulièrement la fermentation. Parmi les différents procédés, la photofermentation a un rendement théorique beaucoup plus élevé que la fermentation obscure. Cependant, en raison de l'assimilation de l'énergie lumineuse, plusieurs limitations, tant sur le plan microbiologique que technologique, existent encore et limitent le potentiel de ce procédé. En utilisant des approches de génie métabolique et enzymatique, l’objectif est d’optimiser R. capsulatus pour améliorer sa capacité à produire du biohydrogène par photofermentation. D’un point de vue technologique et pour permettre une diminution du coût du biohydrogène produit, certains travaux sont également développés afin d'optimiser d’une part les sources de lumière (sélection des longueurs d'onde utiles) et d’autre part la production de H₂ sous pression. En effet, la pressurisation de l'hydrogène nécessaire à son stockage est coûteuse en énergie, surtout pour les premiers bars, et cette opportunité constituera une avancée.

Production de biométhane à partir d’énergie solaire
Aujourd'hui, le biométhane provient de la valorisation du biogaz, principalement composé de 50 à 70 % de méthane, de H₂S et de CO₂. Il résulte de la fermentation de la biomasse par des consortia microbiens. A la fin de la chaîne de dégradation, les méthanogènes produisent du méthane à partir soit d'acétate, soit d'hydrogène et de dioxyde de carbone. Les microorganismes producteurs de méthane (ou méthanogènes) sont des anaérobes obligatoires, représentant un groupe dominant d'Archaea. Les principaux substrats de la méthanogenèse sont le dioxyde de carbone et l'hydrogène ou le formiate (méthanogenèse hydrogénotrophe), l'acétate (méthanogenèse acétoclastique), le méthanol ou les méthylamines (méthanogenèse méthylotrophe). Les méthanogènes sont capables de produire efficacement et quantitativement du méthane pur à partir d'hydrogène et de dioxyde de carbone à température et pression ambiantes ; Nous utilisons cette propriété et développons diverses stratégies d’optimisation de cultures pures, en utilisant Methanococcus maripaludis comme microorganisme modèle. L'objectif est de coupler la synthèse du biométhane à l’énergie solaire en interfaçant un système de production de H₂ par phot-électrcatalyse et une culture de méthanogènes capables d’utiliser le H₂ généré comme source d'électrons pour la réduction du CO₂ en CH₄.

Conception de métalloenzymes artificielles pour la synthèse de molécules à haute valeur ajoutée
Dans le domaine de la catalyse, la recherche d'alternatives respectueuses de l’environnement à la catalyseur homogène standard nous a amenés à concevoir des métalloenzymes artificielles, basées sur l’insertion d’un complexe inorganique au sein d’une protéine. L'équipe collabore depuis de nombreuses années avec l'équipe BioCE de notre laboratoire sur la conception de monooxygénases artificielles. Ces biohybrides combinent la protéine de transport de nickel NikA comme plateforme protéique et une série de complexes de Ru et de Fe comme centres actifs pour des réactions de sulfoxydation, d'hydroxylation aromatique et d'oxychloration. Récemment, les deux groupes ont développé avec succès de nouveaux catalyseurs hétérogènes en utilisant la technologie de « cristaux d'enzymes réticulés » (CLEC) sur des hybrides de « complexes NikA/Fe », ce qui a permis d’atteindre une stabilité et des propriétés catalytiques remarquables. Dans les prochaines années, la technologie CLEC sera étendue à une série de procédés catalytiques pour la production de nouveaux produits à forte valeur ajoutée dans le domaine de l'énergie et de la santé, en respectant les principes de la chimie verte.