Matériaux poreux hybrides comme métalloenzymes artificielles – HOPFAME

Ces objectifs ambitieux seront atteints par le développement de quatre outils et méthodes originales :
- La conception rationnelle de PCP fonctionnels chiraux par modélisation informatique,
- La synthèse de cavités poreuses à façon par post-synthèse insérant des fonctions chirales dans les PCP, y compris des acides aminés, des peptides et centres biologiques ainsi qu’en les combinant avec des centres organométalliques catalytique greffés.
- La caractérisation des PCP utilisant des techniques de caractérisation spectroscopique de pointe,
- La compréhension du phénomène de reconnaissance moléculaire au niveau moléculaire dans des PCP chiraux par la modélisation des interactions hôte-invité. Le développement de l'origine fonctionnelle PCP chiraux sera basé sur des approches de conception rationnelle. Il consistera en une étroite intégration de la modélisation moléculaire et des études expérimentales à trois niveaux:
- À partir d'une bibliothèque virtuelle combinatoire de PCP chiraux fonctionnels (fabriqués à partir de PCP hôte différent, de greffons chiraux,…) une stratégie de présélection servira à identifier les candidats les plus appropriés,
- La modélisation des interactions hôte-invité dans une sélection de PCP fonctionnels en appliquant des simulations type docking-Monte Carlo comme classiquement appliqué pour les enzymes ; ainsi que la validation expérimentale par des mesures d'adsorption / séparation des substrats chiraux.
- Des études expérimentales pour la résolution cinétique «catalytique« sur une sélection de PCP chiraux ; ainsi que la modélisation de l'adsorption par la DFT.

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HOPFAME will deliver a range of innovations in the field of synthesis of multifunctional materials, their characterization and applications.

HOPFAME will contribute to the overall goal of improving France intellectual property portfolio related to future chemical industry. Patent applications will be filed on each invention that meets the patentability criteria and has sufficient commercial potential. Key elements in the HOPFAME plan for management of the results are:
• Transparency of ownership of results is ensured by reporting detailed minutes of each meeting and information exchanges by of all means.
• Easy IP management and decision making since CNRS is the management body for the 2 partners (no consortium agreement required)
• Early identification of areas in which potential results are expected (deliverables);

We can envisage the feasibility of functional solids developed in the frame of HOPFAME at industrial scale thanks first to the possible kilogram scale synthesis of starting PCPs. At IRC we are involved in the FP7 project NanoMOF in which Johnson Matthey is in charge of the up-scaling of MOF synthesis. Six MOFs are also already industrially produced by BASF. Moreover during the ANR ACACIA31 project, IFPEN developed the kilogram scale synthesis of a MOF discovered at IRC, the SIM-1.
Concerning the post-synthetic functionalization of PCPs with amino acids, oligopeptides are already prepared by solid phase peptide synthesis on resins, the technology transfer from resin to MOF can be envisaged in line with the results (reaction conditions and yields) obtained during HOPFAME.

Publication
Enantiopure Peptide-Functionalized Metal-Organic Frameworks
J. Bonnefoy, A. Legrand, E.A. Quadrelli, J. Canivet, D. Farrusseng, Journal of the American Chemical Society, 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b05327.

Brevet
Méthode de greffage d'oligopeptides dans des matériaux hybrides poreux.
Canivet, Jerome; Bonnefoy, Jonathan; Quadrelli, Elsje Alessandra; Farrusseng, David (2014) FR1454772

Projet HOPFAME: Les polymères de coordination poreux fonctionnels (PCP) peuvent être utilisés comme modèles pour des matériaux imitant les enzymes. La structure bien organisée des PCP et leur flexibilité doit permettre la modélisation / compréhension de leurs propriétés de reconnaissance moléculaire. L'utilisation réussie de PCP chiraux pour l'enrichissement stéréosélectif sera une étape cruciale vers la conception de catalyseurs hétérogènes asymétriques idéaux.
L'objectif de HOPFAME est de démontrer que la fonctionnalisation de PCP, choisis judicieusement, en greffant des groupements chiraux flexibles, tels que des acides aminés ou des séquences de peptides courts, fournira un environnement qui imite les enzymes. Par conséquent, ils doivent permettre la reconnaissance moléculaire chirale, tendant à l'objectif d'énantiosélectivités idéales de 100%. Ces objectifs ambitieux seront atteints par le développement de quatre outils et méthodes originales :
- La conception rationnelle de PCP fonctionnels chiraux par modélisation informatique,
- La synthèse de cavités poreuses à façon par post-synthèse insérant des fonctions chirales dans les PCP, y compris des acides aminés, des peptides et centres biologiques ainsi qu’en les combinant avec des centres organométalliques catalytique greffés.
- La caractérisation des PCP utilisant des techniques de caractérisation spectroscopique de pointe,
- La compréhension du phénomène de reconnaissance moléculaire au niveau moléculaire dans des PCP chiraux par la modélisation des interactions hôte-invité. Le développement de l'origine fonctionnelle PCP chiraux sera basé sur des approches de conception rationnelle. Il consistera en une étroite intégration de la modélisation moléculaire et des études expérimentales à trois niveaux:
- À partir d'une bibliothèque virtuelle combinatoire de PCP chiraux fonctionnels (fabriqués à partir de PCP hôte différent, de greffons chiraux,…) une stratégie de présélection servira à identifier les candidats les plus appropriés,
- La modélisation des interactions hôte-invité dans une sélection de PCP fonctionnels en appliquant des simulations type docking-Monte Carlo comme classiquement appliqué pour les enzymes ; ainsi que la validation expérimentale par des mesures d'adsorption / séparation des substrats chiraux.
- Des études expérimentales pour la résolution cinétique "catalytique" sur une sélection de PCP chiraux ; ainsi que la modélisation de l'adsorption par la DFT.