Bases moléculaires de l’immobilisation fonctionnelle d'enzymes pour des biopiles performantes – Enzymor

De part leurs propriétés intrinsèques, les enzymes constituent des biocatalyseurs efficaces qui convertissent un panel large de substrats dans des conditions variées grâce à des cofacteurs redox constitués de métaux non nobles (Fe, Ni, Cu) nécessaires à leur activité biologique.Ces métalloenzymes sont ainsi susceptibles de remplacer les catalyseurs au platine au sein de piles à combustible. Si l’on considère les recherches actuelles pour produire H2 de manière renouvelable, les biopiles enzymatiques H2/O2 peuvent être considérées comme des procédé « verts » de production d’électricité sans émission de gaz à effet de serre.
Le projet ENZYMOR vise à élucider les mécanismes moléculaires qui contrôlent l'efficacité de l'enzyme dans l'état immobilisé, bases nécessaires pour améliorer aussi bien la stabilité que les performances de la biopile H2/O2. Ce projet rentre donc dans le défi 2 de l'ANR 2016 "Energie Propre, sûr et Efficace", axe 5 « H2 et pile à combustible », et recouvre la priorité N ° 9 en contribuant à la diminution de la dépendance en platine.
Bien que les enzymes spécifiques de l'oxydation de H2 et de la réduction de O2 soient identifiées et les mécanismes catalytiques en phases homogènes et hétérogènes assez bien décrits, une cartographie des enzymes qui participent effectivement à la catalyse dans l'état immobilisé n'est pas disponible. La conformation des enzymes immobilisées et la variation de cette conformation en fonction de paramètres tels que le champ électrique, le pH, la force ionique, l’immobilisation covalente ou non, sont des études fondamentales encore peu abordées. Les enzymes sont des objets macromoléculaires nanométriques, avec des sites actifs enfouis dans des structures protéiques elles mêmes isolantes. Le transfert d’électrons interfacial va donc dépendre de l’orientation structurale spécifique de l’enzyme qui va positionner le relai électronique de surface, en général maturé en même temps que le site actif, à une distance tunnel de l’électrode. Cependant il n’existe aujourd’hui que très peu d’outils qui permettent de discriminer parmi les différentes orientations adoptées par l’enzyme, et de les corréler avec l’activité enzymatique. D’autre part, un des désavantages des enzymes par rapport aux catalyseurs chimiques, reste le taux de recouvrement limité par la taille de la molécule et la faible stabilité. Là aussi, des méthodes sont requises pour quantifier et optimiser la quantité d’enzymes participant effectivement à la catalyse, et de facto discriminer les différentes sources d’instabilité (pertes d’enzymes, reconformation et/ou réorientation à l’électrode).
Ces deux axes constituent le cœur du projet ENZYMOR, qui rassemble des électrochimistes, des spectroscopistes et des modélisateurs pour développer les méthodes originales nécessaires et définir les bases moléculaires pour une immobilisation efficace d’une enzyme sur une interface électrochimique: vitesse de transfert d’électrons optimisée, diminution de la quantité d’enzyme nécessaire et stabilité accrue dans le temps et en condition de catalyse. Le couplage unique de méthodes d’analyse de surface ((Polarization Modulated Infrared Reflection Absorption Spectroscopy, Surface Plasmon Resonance, Quartz Crystal Microbalance) avec l’électrochimie et la modélisation en dynamique moléculaire sur des électrodes fonctionnalisées donnera accès à la résolution de l’activité spatio-temporelle et structurale des enzymes immobilisées. A terme ce projet permettra de proposer des interfaces électrochimiques optimisées pour la connexion électrique et la stabilité de biocatalyseurs biodégradables et biodisponibles.
Les résultats fondamentaux obtenus au cours du projet ENZYMOR seront appliquables au développement de biopiles H2/O2, mais pourront être étendus à tout autre biodispositif utilisant des enzymes immobilisées (bioréacteurs, production enzymatique de H2 ou réduction de CO2 en particulier).