Des enzymes bactériennes pour convertir le CO2 en source d'énergie
Publié par Adrien le 05/02/2015 à 00:00
Source: CEA

© A. Magalon
Des chercheurs du CEA (1), du CNRS et d'Aix-Marseille Université décrivent le mécanisme d'activation d'enzymes bactériennes qui transforment naturellement le CO2 en acide formique, composé à forte valeur énergétique.

La description du mécanisme d'activation (Activation peut faire référence à :) de ces enzymes, les formiate déshydrogénases (2) (FDHs), représente une avancée importante pour développer, à terme, des biotechnologies appliquées aux énergies renouvelables.

Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.

Les formiate déshydrogénases (FDHs) sont des enzymes qui transforment le CO2 en acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) formique (CH2O2) chez de nombreuses bactéries. Ce dernier est utilisé pour alimenter certaines piles à combustibles ou pour stocker de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), ce qui fait de lui un composé d'un grand intérêt dans le domaine des énergies renouvelables.

La transformation du CO2 en acide formique requiert des enzymes FDHs sous forme active. Leur activation passe par la fixation d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) (sulfuration) sur un composé, appelé cofacteur à molybdène, qui s'intègrera ensuite dans le site actif des FDHs. Plus précisément, l'atome de soufre est conduit jusqu'au cofacteur par une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine...) chaperon (3), dont le mode d'action, déterminant pour activer les FDHs et donc transformer le CO2, était jusqu'alors inconnu.

Des chercheurs du CEA, du 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).) et d'Aix-Marseille Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) ont réussi à décrypter le mécanisme de "sulfuration" du cofacteur à molybdène chez la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le...) Escherichia coli (Escherichia coli, également appelé colibacille ou E. coli, est une bactérie intestinale des mammifères très commune chez l'être humain. Découverte en 1885 par Théodore...) grâce à une approche multidisciplinaire associant des techniques de 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...) structurale, de biochimie et de biologie moléculaire. D'une part, ce cofacteur est une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) très fragile, de l'autre, le soufre inorganique est hautement réactif. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...), il a été mis en évidence un mécanisme permettant de coupler le transfert protégé du soufre et la fixation du cofacteur à molybdène sur une même protéine chaperon. Selon le modèle décrit par les chercheurs, le soufre navigue à travers un tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par...) traversant le coeur de la protéine chaperon, tunnel qui relie d'un côté la protéine donneuse de soufre et de l'autre, le cofacteur à molybdène. Le cofacteur ainsi soufré peut s'intégrer dans le site actif des FDHs: ces enzymes sont dès lors capables de catalyser la transformation du CO2 en acide formique.


Sur cette figure, le soufre produit à partir de L-Cystéine navigue à travers un tunnel traversant la protéine chaperon pour atteindre le cofacteur à molybdène fixé de l'autre côté de la protéine. Une fois le cofacteur à molybdène soufré, celui-ci est disponible pour les FDHs et permet ainsi leur activité. © A. Magalon

Ces travaux permettent une meilleure compréhension d'une étape clé dans la production de FDHs sous forme active et offrent de belles perspectives dans le développement d'applications en biotechnologies dans le domaine des énergies renouvelables.

Rappel

Il existe actuellement plusieurs types de piles à combustibles. Certaines sont composées d'une membrane échangeuse de protons qui permet, à partir d'acide formique et d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), de créer de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) en rejetant notamment de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et du CO2. On parle de "direct formic acid fuel cell".

Grâce à la réduction du CO2 en acide formique via le rôle clé joué par les formiate déshydrogénases, il serait possible d'alimenter des piles à combustibles et ainsi favoriser l'utilisation d'énergies renouvelables.

Notes:

(1) 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...) de biologie environnementale et biotechnologie (L’OCDE définit les biotechnologies comme "l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants à d’autres matériaux vivants ou non...).

(2) Les formiate déshydrogénases sont un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) d'enzymes qui 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...) l'oxydation du formiate de dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est :...).

(3) Protéine dont le rôle est d'assister d'autres protéines pour favoriser leur maturation.
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