Technologies de l'hydrogène: un procédé inédit...
Publié par Michel le 28/06/2013 à 00:00
Source: CNRS
Pour la première fois, une équipe de recherche du CEA (1), du Collège de France, du CNRS et de l'université Joseph Fourier à Grenoble, vient de mettre au point un procédé inédit et efficace qui permet d'activer in vitro une enzyme, l'hydrogénase, présente dans des microorganismes qui utilisent l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) comme source d'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.). Ceci a été possible grâce à la combinaison (Une combinaison peut être :) d'approches de 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.) biomimétique et de chimie des protéines. En termes d'applications, ces résultats permettront d'exploiter la grande variété des enzymes hydrogénases issues de la biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie en considérant la diversité des écosystèmes, des espèces, des populations et celle des gènes dans l'espace et dans le...), voire à plus long terme "d'inventer" des enzymes artificielles, catalyseurs potentiels pour les piles à combustibles ou pour la production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables. Ces résultats ont été publiés sur le site de la revue Nature le 26 juin 2013.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) montrant le site actif d'une hydrogénase [FeFe] d'abord assemblé in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant...) avant d'être inséré
dans 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 d'accélérer jusqu'à des millions de fois les réactions chimiques du...) issue d'une micro-algue verte (les 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...) 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 le plus courant dans la vie quotidienne,...), de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le...), de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.)
sont respectivement représentés en orange, jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :), bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à...), gris et rouge) © MPI-CEC Mülheim

La production d'hydrogène par électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et son exploitation ultérieure comme carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.), par exemple dans les piles à combustibles, offre des perspectives intéressantes dans le domaine du stockage des énergies, notamment renouvelables. Mais, ces techniques à la fois performantes et prometteuses nécessitent l'utilisation de catalyseurs à base de métaux nobles, chers et peu abondants, comme le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.). Il faut donc trouver des solutions alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.).

Certains microorganismes, notamment des micro-algues, sont capables de produire de l'hydrogène ou d'utiliser l'hydrogène comme source d'énergie pour alimenter leur métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou...). Ils utilisent comme 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 produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) des métalloenzymes, à base de métaux abondants comme le fer. Ces métalloenzymes douées de propriétés catalytiques remarquables sont appelées hydrogénases. Elles représentent aujourd'hui des alternatives naturelles au platine pour l'élaboration de bioélectrolyseurs ou de biopiles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction...) de plus en plus efficaces. Toutefois, les sites actifs de ces enzymes sont complexes et leur biosynthèse nécessite des machineries biologiques spécifiques, encore mal connues et mal caractérisées, qui ne fonctionnent efficacement qu'in cellulo.

Des chercheurs du CEA, du Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin de Paris (Ve arrondissement), est un grand établissement d'enseignement et de recherche. Il...), 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 de l'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...) Joseph Fourier à Grenoble (2), membres du Labex ARCANE (3), viennent de mettre au point (Graphie) un réactif qui est capable de transformer, in vitro et avec une grande efficacité, une hydrogénase inactive (4) en une hydrogénase totalement active. Ce réactif original, constitué d'un complexe biomimétique de synthèse (un petit cluster de fer analogue du site actif) et d'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...) qui le stabilise, est capable de réagir avec
l'hydrogénase inactive en lui transférant la partie biomimétique synthétique. La structure de cette dernière est suffisamment proche du site actif naturel pour qu'elle confère à l'enzyme ainsi reconstituée sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) catalytique naturelle. Pour arriver à un tel résultat, les chercheurs se sont appuyés sur une approche multidisciplinaire combinant chimie organométallique (Un organométallique est un composé chimique comportant au moins une liaison carbone-métal. Il est néanmoins courant que l'on désigne sous ce terme l'ensemble des composés combinant...) et biomimétique, chimie des protéines et spectroscopies.

Cette activation (Activation peut faire référence à :) "artificielle" des hydrogénases ouvre de formidables perspectives tant en termes de recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale...) qu'en termes d'applications. Ces résultats permettront de mieux comprendre l'impact de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une dimension...) protéique sur la réactivité du site actif de l'enzyme. Sur le plan des applications, ces nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) faciliteront l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de la biodiversité des hydrogénases, à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) de l'enzyme la plus efficace et la plus stable pour des utilisations technologiques.

Ce procédé pourrait à terme permettre, via la synthèse d'analogues de sites actifs diversifiés, "d'inventer" de nouvelles enzymes, des hydrogénases artificielles. Autant de nouveaux catalyseurs potentiels pour les piles à combustibles de demain ou pour la production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables.


Notes:

(1) Laboratoire de chimie et 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...) des métaux (unité mixte CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) - IRTSV (Institut de recherches en technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) et sciences pour le vivant) – INAC (Institut nanosciences et cryogénie).

(2) En collaboration avec l'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...) Max Planck de Mülheim pour la Conversion Chimique de l'Energie et l'université de la Ruhr
à Bochum, en Allemagne.

(3) Le Labex ARCANE est un laboratoire d'excellence dans le domaine de la chimie durable au service de la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) et des
énergies renouvelables qui réunit l'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...) des acteurs signataires de cette publication.

(4) Hydrogénase à laquelle il manque le site actif, on parle d'apo-hydrogénase.


Référence:

“Biomimetic assembly and activation of [FeFe]-hydrogenases"
G. Berggren, A. Adamska, C. Lambertz, T. Simmons, J. Esselborn, M. Atta, S. Gambarelli, JM Mouesca, E. Reijerse, W. Lubitz, T. Happe, V.Artero, M. Fontecave.
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