Le mécanisme naturel de la photosynthèse inspire la conception de nouveaux catalyseurs efficaces, qui permettent de réaliser d’importantes réactions chimiques dans des conditions douces
Le développement durable est une nécessité urgente, et les chimistes s’efforcent de répondre à cette demande. S’inspirant notamment de l’efficacité des catalyseurs naturels, les enzymes, Woon Ju Song, de l’université nationale de Séoul, en Corée, cherche à comprendre et à reproduire les réactions chimiques de Mère Nature pour le bénéfice de l’homme. Ces enzymes sont connues pour accélérer considérablement les réactions, en réduisant les barrières d’activation : les réactions se produisent avec beaucoup moins d’énergie que ce que nous pouvons actuellement faire avec des catalyseurs synthétiques.
Les métalloenzymes, enzymes contenant des ions métalliques comme le zinc, le manganèse ou le fer, jouent un rôle crucial dans des réactions vitales telles que la photosynthèse, l’oxydation du méthane et la fixation de l’azote, qui se produisent dans des conditions ambiantes. À l’inverse, les catalyseurs synthétiques pour des réactions similaires nécessitent de grandes quantités d’énergie. La fixation de l’azote, par exemple, consomme environ deux pour cent de l’énergie totale de la planète. Woon Ju Song propose que la compréhension et l’imitation de l’approche de la nature pour ces réactions chimiques puissent conduire à des processus plus durables et plus efficaces sur le plan énergétique.
Enzymes à atomes métalliques
La recherche présentée ici est axée sur la conception de métalloenzymes artificielles. L’équipe de Woon Ju Song a créé plusieurs enzymes, chacune ayant des propriétés catalytiques spécifiques. Toutefois, leurs récents travaux publiés portent sur des enzymes photocatalytiques inspirées par la capacité de la nature à récolter l’énergie solaire lors de la photosynthèse.
Le métalloenzyme artificiel conçu par les chercheurs contient deux catalyseurs introduits dans une matrice protéique, imitant la manière dont la nature transfère efficacement les électrons dans les processus chimiques. La lumière LED bleue active un catalyseur à base d’iridium, déclenchant le transfert d’électrons dans un catalyseur à base de nickel, qui effectue ensuite une réaction de couplage croisé pour former une nouvelle liaison carbone-oxygène dans des conditions ambiantes. Les chercheurs ont observé que la sélectivité et la réactivité de l’enzyme sont nettement plus élevées lorsque les catalyseurs à base d’iridium et de nickel sont tous deux présents, ce qui suggère l’importance d’un transfert efficace d’électrons uniques entre eux.
L’optimisation révèle la polyvalence
Les scientifiques ont mené des expériences pour optimiser les processus biocatalytiques en modifiant la séquence de la protéine et l’environnement local des catalyseurs inorganiques. Le métalloenzyme artificiel a fait preuve de polyvalence en réagissant avec une large gamme de substrats aromatiques, ce qui en fait un candidat prometteur pour diverses transformations chimiques.
Dans l’ensemble, la recherche a mis en évidence la conception réussie de métalloenzymes artificielles, inspirées des processus naturels à haut rendement énergétique. Les résultats de l’étude fournissent des indications précieuses sur la manière dont ces catalyseurs peuvent faciliter le développement durable en réduisant la consommation d’énergie et en favorisant les transformations chimiques vertes. Les chercheurs souhaitent continuer à explorer et à élargir le champ de la réactivité chimique dans l’espoir d’apporter des contributions significatives au développement durable en tant que chimistes.
