De nouveaux biocatalyseurs hétérogènes pour des réactions d'oxydation : des cristaux de métalloenzymes artificielles

par Sarah Lopez

Projet de thèse en Chimie inorganique et Bio inorganique


Sous la direction de Caroline (EDCSV) Marchi-delapierre et de Christine (CSV) Cavazza.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Chimie et Sciences du Vivant , en partenariat avec Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (laboratoire) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Le projet représente une déclinaison originale du développement d'une chimie durable. En effet, l'équipe BioCE du LCBM dispose de métalloenzymes artificielles dont les capacités en catalyse d'oxydation sont remarquables. A leurs capacités, nous souhaitons ajouter l'apport des bénéfices liés à l'emploi de la catalyse hétérogène. Notre approche vise donc à reproduire un site enzymatique, le contrôle de la réactivité mais aussi l'architecture, grâce à l'inclusion de catalyseurs inorganiques, dont l'activité est déjà attestée, à l'intérieur de la cavité d'une protéine choisie mais cette fois sous sa forme cristalline. Les cristaux de protéinespossèdent une structure particulière avec une densité faible.L'empilement des unités protéiques crée des canaux réguliers dans chaque cristal. Ces propriétés vont permettre de mieux contrôler l'approche du substrat et de l'oxydant pour améliorer la sélectivité de la réaction. Le projet sera donc basé sur la mise en place de réactions d'oxydation catalysées in cristallo grâce à l'apport de la technologie CLEC (méthode de réticulation de cristaux souvent utilisée en cristallographie des protéines) qui permet un gain en stabilité des cristaux protéiques. Les buts de ce projet sont (i) de mieux comprendre la technologie CLEC sur nos hybrides protéiques à base de NikA, (ii) de développer des méthodologies d'oxydation hétérogène sélective, (iii) d'appliquer ces méthodes à la synthèse de produits chiraux (haute valeur ajoutée) ou à la dégradation d'hydrocarburespolyaromatiques, (iv) de déterminer les mécanismes réactionnels mis en jeu. Pour tous ces objectifs, nous combinerons la cristallographie de diffraction des rayons X ainsi que les différentes méthodes de caractérisation (MS, ICP, IR, UV-vis, RMN et RPE) en utilisant des méthodologies classiques de chimie organique et inorganique ainsi que de biochimie. Le projet commencera avec l'utilisation de métalloenzymes artificielles conçues au laboratoire basées sur la protéine NikA et des complexes inorganiques de fer et de ruthénium déjà connues pour leur activité en catalyse d'oxydation. En cas d'échec, d'autres systèmes à base de cuivre, identifiés par nos collaborateurs, seront testés. Ce projet aura un impact important dans (i) le développement d'une biocatalyse hétérogène, (ii) la conception de catalyseurs d'oxydation énantiosélective employant notamment le dioxygène, (iii)l'ouverture du champ de la technologie CLEC aux réactions d'oxydation.

  • Titre traduit

    New heterogeneous biocatalysts for oxidation reactions: crystals of artificial metalloenzymes


  • Résumé

    Catalytic processes are at the cutting-edge of the development of green chemistry. The project «crystalball» represents a major asset for the design of a sustainable chemistry, with an original combination of biocatalysis and chemical metal based catalysis. Our original strategy relies on the conception of a heterogeneous crystal/solution version of the already demonstrated artificial enzymes technology coupled to an infinite declension of catalyzed reactions. Such an approach consists of the reproduction of the fine control at the metal-containing active sitein a combination of an inorganic catalyst and a protein scaffold. The project will be based on the setting up of oxidation reactions catalyzed «in cristallo», thanks to the gain in mechanical and chemical stability of protein crystals by Cross Linking methods (CLEC). The strategy here relies on the mimic of the unique capabilities of protein architecture through the control of spatial and/or temporal distribution of substrates and oxidant. The approach will consist of (i) to better understand the CLEC technology on our NikA protein hybrids for oxidation processes, (ii) to get new scope of chiral sulfoxide production, (iii) to oxidize aromatic substrates for remediation and high value products synthesis, (iv) to get new insights in the control of the reaction steps of oxidation reactions. For all these purposes we will combine X-Ray crystallographic and spectroscopic studies (MS, ICP, IR, UV-vis, NMR and EPR) with classical methodologies of organic and inorganic chemistry and biochemistry. The impact of this project will be expected (i) to foster the field of heterogeneous biocatalysis, (ii) to control the dioxygen activation for selective reactions, (iii) to provide new strategies for enantioselective sulfoxidations, (iv) to open the field of oxidation for CLEC technology. This project is supported by an ANR called “Crystalball” starting 01/2015. The project will start with the use of our home made artificial metalloenzymes based on the NikA protein and Inorganic complexes of iron and ruthenium already known for their catalytic activity in oxidation reactions.