Nouveaux catalyseurs hybrides métalloprotéiques d’oxydation sélective par le dioxygène. – CATHYMETOXY

La dualité des approches, biochimique et chimique, se retrouve dans les technologies utilisées pour mener à bien le projet. Ainsi, la préparation des briques nécessaires à la construction de la métalloenzyme artificielle nécessitera tout d’abord de la synthèse chimique: complexes métalliques héminiques et non-héminiques, dotés de fonctionnalités permettant leur ancrage sur une protéine d’une part et sur une électrode d’autre part, et synthèse de fils moléculaires pour l’accrochage de ces complexes sur une électrode, et de la biochimie associée à la biologie moléculaire pour la production et la purification de la protéine (xylanase) mutée ou non. L’assemblage des différents éléments fil moléculaire-complexe métallique-protéine s’appuiera sur des méthodologies empruntées aux couplages protéiques : chimie peptidique, création de liaisons carbone-soufre (des cystéines), ou aux méthodes modernes de la chimie : chimie click. À ce niveau des études cristallographiques seront utilisées pour établir la structure 3D des hybrides obtenus, donnant toute sa place à la biologie structurale. L’accrochage de l’ensemble sur une électrode empruntera des méthodes chères à l’élaboration de matériaux hybrides : élaboration de monocouches de thiol fonctionnalisés auto assemblées, ancrage covalent sur du carbone graphite. Enfin les tests d’activité catalytique se feront en premier en catalyse homogène avec H2O2 comme oxydant, puis en milieu hétérogène : avec O2 comme oxydant et les électrons fournis par une électrode (électrochimie). Des substrats simples (alcanes, alcènes) seront d’abord utilisés puis les meilleurs hybrides seront utilisés pour l’oxydation de composés d’intérêt en chimie fine, pétrochimie et dépollution. Au final, il s’agit d’un projet exigeant très pluridisciplinaire, impliquant des compétences multiples rassemblées dans le consortium.

En ce qui concerne l’élaboration des métalloenzymes artificielles, le meilleur résultat a été obtenu par greffage covalent de complexes de Fe non hémiques dont les ligands ont été fonctionnalisés par une fonction maléimide pouvant réagir avec une cystéine libre de la chaîne protéique. Le greffage covalent d’un complexe [(L52maleimide)FeCl](PF6) sur une protéine commerciale, la ?-lactoglobuline, a conduit à un biohybride parfaitement caractérisé qui s’est avéré capable de catalyser l’oxydation sélective des sulfures par H2O2. Ce travail a fait l'objet d'une publication (C. Buron, et al., Chem. Eur. J., 2015, 21, 12188–12193). Pour l’accroche de complexes de fer sur électrode d’or, le couplage au fil moléculaire (chaine alkyle fonctionnalisée par un bras thioctique) par chimie click initialement prévu, a été abandonné au profit d’un couplage peptidique assisté par micro-onde entre le complexe et le fil moléculaire. Ensuite le greffage par électrodéposition (méthode active) ou simple immersion (méthode passive) sur électrode d’or a conduit à la formation de monocouches auto-assemblées (SAM). Les deux méthodes conduisent à des taux de recouvrement similaires (1,6 à 5x10-11 mol.cm-2). Il a été possible avec ces SAM de mettre en évidence des échanges chimiques de ligands exogènes à la surface et notamment d’obtenir des résultas préliminaires concernant l'activation réductrice de O2. Ce travail a donné lieu à un article (C. Buron, et al., Dalton Trans., 2016).
Enfin, une nouvelle méthode d'activation réductrice de O2 par un complexe de fer binucléaire et par les hémoprotéines artificielles via l'irradiation d'un complexe de ruthénium photoactivable dans le visible a été mise en évidence. Alternativement la production des intermédiaires réactionnels hautement réactifs responsables du transfert d’un atome d’oxygène sur les substrats organiques ont pu être obtenus par oxydation de H2O en présence d'un complexe de ruthénium photoactivable et d’un oxydant sacrificiel.

Les questions d’oxydation en conditions douces sont cruciales dans le contexte actuel. Avec le développement à grande échelle des procédés de liquéfaction des hydrocarbures, les alcanes lourds deviennent de plus en plus accessibles, et l’utilisation de ces ressources dépend du développement de catalyseurs d’oxydation actifs, sélectifs et stables. Par ailleurs, la chimie d’oxydation permet également de dégrader des dérivés toxiques, permettant la mise au point de processus de décontamination et détoxification de déchets particuliers. En se substituant aux oxydants toxiques communément employés, les démarches telles que celles que nous présentons doivent conduire à une amélioration de l’environnement s’inscrivant véritablement dans les préoccupations majeures du moment.

Les résultats concernant le greffage des complexes sur les électrodes et l’élaboration de nouvelles métalloenzymes artificielles ont été rapportés dans 28 congrès nationaux et internationaux et 3 thèses. Les résultats les plus remarquables ont été publiés dans des revues à fort impact : métalloenzymes catalysant l’oxydation de sulfures par H2O2 (Dalton Trans., 2014, Chem. Eur. J., 2015), activation de O2 par les complexes de fer assistée par électrode (Chem. Sci., 2015, Tet. Lett., 2016, Inorg. Chem. 2016…), activation réductrice de O2 par un complexe de fer binucléaire ou une métalloenzyme artificielle via l'irradiation d'un complexe de ruthénium photoactivable (Angew. Chem., 2013, Dalton Trans 2016,....), greffage de complexes de FeII sur électrodes d’or (Dalton Trans., 2016).

Ce projet vise à la préparation et à l’étude d’une classe de nouveaux biocatalyseurs d’oxydation sélective permettant : 1) d’opérer dans des conditions variées, en particulier des conditions douces ;2) d’utiliser l’oxygène moléculaire comme oxydant. Ces deux propriétés s’inscrivent parfaitement dans le cadre du développement de la « chimie verte », dans un contexte global de contribution au développement durable. En effet, à l’heure actuelle, la plupart des processus mis en oeuvre en chimie d’oxydation demeurent coûteux et dangereux de part leur nature (températures et pressions élevées, utilisation de catalyseurs onéreux et toxiques). Dans le contexte global actuel, la question de la sauvegarde de nos ressources énergétiques et du travail dans des conditions propres devient de plus en plus préoccupante. La chimie est concernée en premier lieu, et compte tenu du fait qu’elle est bien souvent en amont et au service des autres industries, on comprend l’effort indispensable à réaliser pour cadrer au concept de « développement durable ».
La caractéristique de ce projet est qu’il associe des équipes de provenances différentes et de compétences complémentaires pour travailler à la conception, préparation, et étude de dérivés originaux. Il s’agit ici d’une approche pluridisciplinaire, puisque les catalyseurs sont constitués de complexes synthétiques de métaux de transition (métalloporphyrines ou complexes métalliques des ligands multidentes azotés), en association intime avec des protéines. Ces biocatalyseurs constituent en eux-mêmes des nouveaux objets moléculaires bien définis, combinant les avantages des catalyseurs synthétiques avec ceux des biomolécules au sein d’une même structure moléculaire. Ils seront obtenus par insertion de manière covalente ou non dans des protéines (xylanase et mutants), de complexes de fer synthétiques (ligands porphyrine, multidente à motif aminométhyl-pyridyle ou …). Les composés protéine-complexe métallique seront utilisés en présence d’oxydants propres comme, dans un premier temps H2O2, puis, dans un second temps O2. Dans ce cas, il sera nécessaire d’adjoindre un système capable de délivrer au centre métallique les électrons nécessaires pour activer O2. Ceci sera réalisé grâce à un dispositif électrochimique et les électrons seront acheminés vers le centre métallique soit par un médiateur redox soluble, soit par un fil moléculaire qui devra être attaché de manière covalente d’une part au ligand du complexe métallique et, d’autre part à l’électrode.
Dans ces composés, le rôle de la protéine est multiple : la matrice doit en principe fournir une stabilité opérationnelle et une certaine sélectivité. On peut raisonnablement s’attendre à ce qu’une activité originale et efficace soit observée dans ce type de composés.
La mise en oeuvre de ce projet s’appuie sur le savoir faire et l’expertise de chacun des groupes concernés : chimie des protéines et des enzymes modifiées ; chimie biomimétique inorganique de synthèse et spectroscopie ; cristallochimie des protéines ; électrochimie des métalloprotéines, réactivité des métalloprotéines et de leurs analogues synthétiques en chimie d’oxydation.
Les métalloprotéines hybrides obtenues trouveront leurs applications dans des processus d’oxydation présentant un potentiel économique considérable, là où les besoins en terme d’oxydation propre et en conditions douces se font sentir: décontamination et détoxification des rejets industriels, ou chimie d’oxydation fine de molécules d’intérêt pharmaceutique.