Percée dans la recherche sur la catalyse : décomposer le CO2 avec du nickel
Un mécanisme ancestral chez les bactéries élucidé - des découvertes importantes pour la protection du climat
Des chercheurs* de l'Université technique de Berlin et de l'Université Humboldt de Berlin du cluster d'excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat) ont élucidé le mécanisme moléculaire par lequel les bactéries transforment efficacement le CO₂ en monoxyde de carbone. L'étude publiée dans la revue Nature Catalysis montre pour la première fois tous les états catalytiques pertinents de l'enzyme contenant du nickel "monoxyde de carbone déshydrogénase" (CODH) en résolution atomique - une percée pour la catalyse bio-inspirée et la protection du climat. Si les connaissances ainsi acquises sont appliquées avec succès au développement de nouveaux types de catalyseurs, cela pourrait accélérer massivement la transition vers une industrie neutre en carbone et une chimie verte.
"Il est fascinant de pouvoir observer avec précision ce processus sophistiqué que l'évolution a mis plusieurs milliards d'années à optimiser", déclare le Dr Christian Lorent du département de chimie physique et biophysique de l'Université technique de Berlin. Ce succès, qu'il a obtenu en collaboration avec le groupe de travail "Biologie structurelle et biochimie" du professeur Holger Dobbek à l'université Humboldt de Berlin, s'appuie sur des décennies de travaux préliminaires de dizaines de groupes de travail de nombreux pays différents. "Holger Dobbek travaille à lui seul sur cette enzyme depuis plus de 25 ans. La grande question était de savoir quelle était la fonction exacte du complexe nickel-fer, profondément caché au centre de la monoxyde de carbone déshydrogénase".
Le nickel, chef d'orchestre de la réaction
"Les bactéries utilisent cette déshydrogénase comme un catalyseur biologique qui rend possible la conversion du CO2 en CO tout comme la réaction inverse", explique Christian Lorent. Dans le premier cas, la molécule de CO formée, plus réactive, peut se combiner avec d'autres substances pour former des substances utiles au métabolisme de la bactérie. "En revanche, si le monoxyde de carbone est brûlé en dioxyde de carbone, de l'énergie est libérée, que la bactérie peut utiliser". Pour les réactions, un atome de nickel et un atome de fer prennent en quelque sorte les molécules de gaz en tenaille. "L'ion nickel peut injecter des électrons dans la molécule de CO2 ou les prendre au CO. Cet atome de nickel chargé se charge alors de lier les deux molécules", explique Lorent.
Des canaux pour les molécules
Comme le centre de réaction est extrêmement sensible et que la réaction doit se dérouler en l'absence d'oxygène, le complexe nickel-fer est profondément caché à l'intérieur de l'enzyme complexe, qui se compose de plusieurs milliers d'atomes. Par des canaux taillés sur mesure, les molécules de CO et de CO2 se déplacent - comme sur des tapis roulants - vers le centre de réaction et en sortent. "Grâce à la résolution atomique, nous pouvons vraiment bien voir comment, par exemple, une molécule de CO formée est encore liée au nickel et est déjà dirigée vers son canal", explique Christian Lorent. Les canaux sont conçus de manière à ne laisser passer que les molécules souhaitées.
La structure rencontre la spectroscopie : voici comment l'image complète a été obtenue
À l'aide de la cristallographie aux rayons X, de la spectroscopie infrarouge et de la spectroscopie par résonance magnétique électronique les plus modernes, l'équipe de recherche a pu visualiser tous les états intermédiaires - de la liaison CO₂ à la formation et à la libération de CO en passant par la scission. Pour pouvoir étudier l'enzyme avec la méthode de cristallographie aux rayons X, les chercheurs* ont d'abord dû cristalliser les molécules géantes. Il en résulte une structure ordonnée, telle qu'on la connaît dans les cristaux de sel. "Ce n'est qu'en combinant cette cristallographie des protéines avec les méthodes spectroscopiques que nous avons pu obtenir une image complète de toutes les étapes de la réaction", explique Lorent. "C'était le progrès décisif qui a porté notre compréhension mécanistique à un nouveau niveau".
Pertinence pour la protection du climat et la chimie verte
Les découvertes vont au-delà de la recherche fondamentale : elles fournissent un plan de construction pour le développement de catalyseurs synthétiques qui pourraient convertir le CO₂ de manière sélective et efficace en substances de base précieuses - par exemple pour l'industrie chimique ou les carburants synthétiques. "En comprenant les mécanismes ancestraux de la conversion bactérienne du CO₂, nous pouvons les appliquer au développement de catalyseurs inédits qui pourraient accélérer la transition vers une industrie neutre en carbone", explique Yudhajeet Basak, premier auteur de l'étude au sein du groupe de travail de Holger Dobbek.
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