Nanoconfinement d'enzymes dans des architectures nanocages pour la conversion bioélectrocatalytique d'énergie – CAGEZYMES

Une variété de méthodes ont été développées pour élaborer des métal organic frameworks (MOFs) et leurs composites en vue de la construction d'électrodes et de bioélectrodes présentant des propriétés spécifiques, notamment des structures poreuses, l’orientation et protection des enzymes, des conductivités, et des activités électrochimiques. Des méthodes innovantes d'assemblage de (bio)électrodes à base de MOFs ont été conçues, tandis que les propriétés structurelles, enzymatiques (par exemple, la biocatalyse), électrochimiques, bioélectrocatalytiques, et en termes de conversion d'énergie (biopiles enzymatiques), ont été évaluées à l'aide d'une large gamme de techniques, telles que l’électrochimie, la diffraction des rayons X sur monocristaux et poudres (pXRD), la microscopie électronique, l'adsorption/désorption d’azote BET, et des techniques spectroscopiques (par exemple, Raman, FT-IR et UV-Vis). Les MOFs ont été synthétisés par des méthodes solvothermales, hydrothermales et à température ambiante. De nouveaux protocoles UV-Vis et dosages protéiques ont été établi pour permettre une quantification fiable des enzymes et molécules rédox encapsulées. Un aspect important concernait les études de caractérisation dédiées à la compréhension de la stabilité des matériaux en solutions tampons aqueuses.

Des enzymes oxydoréductases ont été incorporées dans les MOFs soit (i) lors de l'auto-assemblage des MOFs (encapsulation in situ / biominéralisation), (ii) après l'assemblage des MOFs (encapsulation post-assemblage), ou (iii) par immobilisation directe sur les surfaces poreuses des électrodes MOFs. Ce projet a exploré l'activité bioélectrocatalytique de nouvelles bioélectrodes à base d'enzyme-MOF pour réaliser des réactions écologiques, telles que la réduction du dioxygène en eau, l'oxydation du glucose en gluconolactone, et la réduction de H₂O₂ en eau. De nouveaux protocoles d'inhibition bioélectrocatalytique ont également été développés.

Des progrès importants ont été réalisés dans la synthèse et la caractérisation de MOFs micro- et méso-poreux ainsi que d’électrodes dérivées de MOFs. Des méthodes de synthèse solvothermale et hydrothermale ont été développées pour obtenir des MOFs stables dans l’eau, tels que les cadres imidazolates de type zéolithe (ZIFs) et les MOFs à base de fer (MIL(100) et PCN). De nouveaux MOFs redox-actifs intégrant des espèces Fc et quinone pour le câblage électrique des enzymes ont été isolés. Des stratégies composites et couche-par-couche ont été mises au point, permettant de mieux comprendre les effets des solutions aqueuses et des tampons sur la stabilité des MOFs.

Nous avons réalisé des progrès significatifs dans l'assemblage et la caractérisation des composites MOF/enzyme pour la biocatalyse et la bioélectrocatalyse. L'encapsulation post-synthétique d'enzymes dans des structures mésoporeuses a été explorée, révélant notamment l'importance de l'orientation enzymatique dirigée par les ligands ainsi que de la porosité (par exemple, « nanocaging ») sur la bioélectrocatalyse, mais aussi sur la stabilité structurelle et les limites d'encapsulation. Inspirée des processus naturels de biominéralisation, nous avons développé des méthodes permettant l'encapsulation d'enzymes et/ou de molécules rédox par encapsulation in situ dans des MOFs. Par exemple, nous avons démontré avec succès un nouveau type de bioélectrode MOF/peroxydase électroactif et protégé, où l'enzyme restait électriquement accessible tout en étant protégée contre l'inhibition et la dénaturation thermique. Ce procédé a été ajusté pour permettre la formation de structures cristallines ou amorphes, adaptées à une bioélectrocatalyse efficace pour l'oxydation du glucose et la réduction de O₂ et de H₂O₂.

Les résultats du projet ont montré la possibilité d'obtenir des régimes de transfert d'électrons direct, médié ou mixte, très sensibles à la conception des bioélectrodes. Les études d'inhibition sont particulièrement intéressantes, car nous avons pu démontrer des effets remarquables de protection et d'activation enzymatique, notamment pour la bioélectrocatalyse de H₂O₂. De plus, la première biopile enzymatique glucose/O₂ amorphe a été démontrée avec succès et testée, offrant des avantages tels que des bénéfices économiques, la possibilité d'encapsuler des médiateurs hydrophiles, une stabilité attrayante de la tension, et une protection contre l'inhibition.

Des carbones poreux dérivés des MOFs ont également été développés comme couches poreuses hautement conductrices pour remplacer les nanotubes de carbone. Des bioanodes et biocathodes enzymatiques de preuve de concept ont été réalisées à l’aide de liants polymères, mais nécessitent encore des améliorations. Les propriétés capacitives, attractives par rapport aux nanotubes de carbone, ont ensuite été évaluées dans le cadre d’une étude collaborative internationale.

Ce projet s'est concentré sur l'avancement du domaine de la bioélectrocatalyse, et en particulier sur le développement d'électrodes catalytiques améliorées et de piles à combustible biologiques dans des conditions difficiles pour une énergie propre et durable. Il a permis de réaliser d'importants progrès dans les domaines de la chimie de surface à l'échelle nanométrique, de la synthèse des MOFs et des composites MOF-enzymes, des matériaux poreux, de la biologie et de l'électrochimie. Comme mentionné précédemment, la méthodologie développée pourrait être étendue à la confinement d'autres catalyseurs ou entités pour des applications comprenant les piles à combustible, les capteurs et les réacteurs.

Les piles à combustible enzymatiques, avec des puissances de sortie typiques de l'ordre du µW au mW, sont actuellement destinées à des applications à faible puissance, par exemple, pour l'alimentation des dispositifs médicaux électroniques. Le recyclage miniaturisé des batteries est inefficace et conduit finalement à des problèmes tels que la pollution de l'environnement. Socialement, la demande pour des dispositifs médicaux portables et implantables ne cesse d'augmenter, par exemple, pour la surveillance personnelle de la santé. Le projet CAGEZYMES a fourni de nouveaux résultats fondamentaux et une meilleure compréhension pour aider à prolonger la durée de vie et améliorer les performances des électrodes bioélectrocatalytiques pour les piles à combustible biologiques et les biocapteurs.

Les résultats obtenus avec les peroxydases pourraient ouvrir de nouvelles opportunités pour les bioréacteurs, en raison de la possibilité d'obtenir des conversions substrat-produit dans des concentrations inhibitrices classiques. Le développement de matériaux poreux et de catalyse durable pour la conversion d'énergie propre dans ce projet est en accord avec la stratégie climatique et énergétique de l'Union européenne, y compris les directives de l'UE visant à développer une énergie propre pour les Européens avec un meilleur usage des matériaux et énergies renouvelables.

2 publications à ce jour.

Les enzymes sont des catalyseurs naturels de plus en plus utilisés avec des électrodes afin d’étudier et contrôler des transformations chimiques. Elles ont des avantages par rapport aux catalyseurs de synthèse, comme leur haute spécificité, mais sont complexes et fragiles. Le but de ce projet est de développer des nanocages de précision moléculaire pour emprisonner et protéger des enzymes rédox pour la bioélectrocatalyse. Des méthodes seront développées pour former des électrodes en metal organic frameworks présentant des pores et des fonctions chimiques spécifiques. Des méthodes innovantes permettant l’assemblage de MOFs-électrodes seront développées. Il sera établi si les nanocages sont capables de stabiliser les enzymes afin de les étudier et donner naissance à une nouvelle génération de biopiles pour la conversion d’énergie durable. Ce projet de 4 ans permettra au jeune CR du CNRS de former son équipe de recherche et de mener le développement d’une nouvelle thématique à Grenoble.