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Posté par Michel le Mardi 12/10/2010 à 00:01
Les métalloenzymes artificielles, ou la chimie de synthèse de demain
Des chercheurs du CEA (1), de l'Université Joseph Fourier et du CNRS viennent de mettre au point une nouvelle approche combinant cristallographie des protéines et chimie biomimétique pour observer toutes les étapes clés d'un processus essentiel à la vie (La vie est le nom donné :), l'activation (Activation peut faire référence à :) de l'oxygène. Pour cela, ils ont créé une métalloenzyme artificielle, complexe constitué d'un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne...) chimique et d'une protéine et l'ont observée par cristallographie aux rayons X sur une ligne de lumière de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) (ESRF). Ces résultats constituent une étape essentielle pour le développement de métalloenzymes artificielles capables de produire, efficacement et à moindre coût, de nombreuses molécules d'intérêt industriel. Ce faisant, ils ouvrent de nouvelles perspectives pour la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) verte. Ces travaux sont publiés en ligne par la revue Nature Chemistry.


Exemple de cinétique chimique in cristallo:
à gauche - Complexe de Fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique...) dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la...) de protéine ;
au centre - Changement de conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent. Les molécules dans lesquelles les atomes sont liés chimiquement de la même façon, mais dans lesquelles...) du complexe après réduction du Fer ;
à droite - Insertion d'un oxygène dans le complexe après activation de l'oxygène moléculaire.

De nombreuses molécules chimiques existent sous deux formes aux structures inversées comme dans un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine,...) (énantiomères). Souvent, seule l'une de ces formes présente un intérêt pour les industries de la santé, de l'agriculture ou de l'alimentation. Or, la synthèse chimique des molécules présente le désavantage d'aboutir à la production des deux formes de la molécule (catalyse énantiosélective), et donc d'une quantité non négligeable de molécule sans intérêt. Isoler la forme recherchée nécessite de procéder à des phases lourdes et coûteuses de purification.

La nature est beaucoup plus performante que la chimie de synthèse: les enzymes sont en général capables de fabriquer directement la forme d'intérêt d'une molécule ! D'où l'idée de les utiliser dans l'industrie. Cependant, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'enzymes naturelles disponibles pour effectuer les réactions d'intérêt reste faible. Par ailleurs, la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup...) chimique homogène (2) permet de réaliser de nombreuses réactions, mais souvent avec une faible stabilité des catalyseurs et un manque de spécificité.

C'est de ce double constat qu'est née l'idée de combiner chimie et biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou...) pour créer des métalloenzymes artificielles. Leur structure est constituée d'un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des...) inorganique inséré dans une structure protéique inactive. Chacun son rôle: le catalyseur inorganique dicte la nature de la réaction jouant le rôle du site actif (3) de l'enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et...) et l'échafaudage protéique contrôle la production de la forme d'intérêt du produit et l'efficacité de la réaction.

Si ces métalloenzymes artificielles offrent conceptuellement des perspectives énormes pour la chimie verte, il faut encore relever un défi technologique pour développer par ingénierie des enzymes efficaces pour la production de chaque molécule d'intérêt. Pour cela, il faut trouver le meilleur couple protéine/catalyseur, comprendre son fonctionnement, et l'adapter…
Avec ces travaux, les chercheurs viennent de réaliser une étape essentielle du développement de ces métalloenzymes. Ils ont en effet mis au point (Graphie) une méthode qui permet de suivre la réaction chimique au niveau du site actif au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). « Dans le cas présent nous avons regardé le fonctionnement d'une réaction qui consiste à activer l'oxygène moléculaire. Cette réaction est utilisée dans de nombreux processus cellulaires essentiels à la vie », explique Stéphane Ménage, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) de l'équipe Chimie rédox bioinspirée de l'iRTSV (Institut de recherches en technologies et sciences pour le vivant).

Pour étudier cette réaction, les chercheurs ont élaboré un mime de la réaction via l'introduction d'un cycle aromatique au sein d'un complexe de fer, puis inséré ce complexe dans une protéine (4) qui a pour unique fonction le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies...) du Nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) chez la bactérie Escherichia coli (5). Elle ne perturbe donc pas la réaction chimique d'activation de l'oxygène. Les chercheurs ont ensuite cristallisé cette métalloenzyme artificielle et observé en direct par cristallographie aux rayons X l'évolution de la réaction au sein du cristal. « Ce dernier permet la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) des substrats et des intermédiaires de la réaction. L'enzyme reste active dans le cristal, la réaction peut se faire et il est possible d'en suivre les différentes étapes in cristallo », précise Christine Cavazza, chercheuse CEA au Laboratoire de cristallographie et de cristallogenèse des protéines de l'IBS (Institut de biologie structurale). « Nous pouvons ainsi observer l'insertion d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) d'oxygène au sein du noyau aromatique ».

« Le plus extraordinaire pour nous autres chimistes, c'est qu'avec cette construction qui allie propriétés chimiques et biologiques nous avons pu voir toutes les étapes de cette réaction, ce qu'aucun chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique...) n'avait réussi à faire ! », s'enthousiasme Stéphane Ménage. « C'est une étape essentielle pour étudier comment fonctionne le site actif synthétisé chimiquement. On peut ensuite le moduler pour adapter sa structure aux performances recherchées ».

Notes:

(1) Laboratoire de cristallographie et de cristallogenèse des protéines, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de biologie structurale J.P. Ebel (CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) - Laboratoire de chimie et biologie des métaux (Université Joseph Fourier/CEA/CNRS), Institut de recherches en technologies et sciences pour le vivant (iRSTV).

(2) Catalyse homogène: un catalyseur est dit homogène lorsqu'il ne forme qu'une seule phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) avec le solvant et les réactifs. Jouant son rôle de catalyse, il est consommé lors de la première étape de la réaction, puis il est restitué sous sa forme initiale. Il n'apparaît donc pas dans la réaction globale.

(3) Le site actif d'une protéine est la partie de cette protéine ou se produit la réaction enzymatique.

(4) La protéine en question est la protéine Nika.

(5) Escherichia (Escherichia est un genre de bactéries de la famille des Enterobacteriaceae, qui colonise l'intestin de l'homme et d'autres animaux. L'espèce la...) Coli est une bactérie intestinale des mammifères très commune chez l'être humain.


Référence:

Crystallographic snapshots of the reaction of aromatic C–H with O2 catalysed by a protein-bound iron complex. Christine Cavazza, Constance Bochot, Pierre Rousselot-Pailley, Philippe Carpentier, Mickaël V. Cherrier, Lydie Martin, Caroline Marchi-Delapierre, Juan C. Fontecilla-Camps and Stéphane Ménage. Nature Chemistry, online, 2010


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Source: CNRS
Illustration: © CEA
 
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