Des enzymes sous forme de billes pour une chimie plus durable
Le KIT dépose une demande de brevet pour ce procédé
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Grâce à la biocatalyse enzymatique, il est aujourd’hui possible de synthétiser de manière écologique une gamme extrêmement large de principes actifs pharmaceutiques et d’autres molécules complexes. Des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont désormais mis au point une technologie permettant d’assembler des enzymes pour former des billes de quelques millimètres de diamètre, pouvant être stockées. Les enzymes ne servent pas seulement de catalyseurs, mais constituent également le matériau même de ces billes. Dans une autre variante, ces réseaux enzymatiques peuvent être combinés à des cellules vivantes. Un brevet a été déposé pour ce procédé. Résultats publiés dans Advanced Materials.
En biocatalyse, les enzymes accélèrent les réactions et peuvent remplacer les catalyseurs chimiques, souvent toxiques. Cela permet d’économiser des matières premières et de l’énergie. Toutefois, pour que cette technologie trouve une application aussi large que possible dans l’industrie chimique, il est essentiel de pouvoir fournir ces biocatalyseurs en continu et en grandes quantités. De plus, ils doivent pouvoir être stockés, transportés et facilement dosés. Pour répondre à toutes ces exigences, une équipe dirigée par le professeur Christof Niemeyer de l’Institut des interfaces biologiques 1 du KIT a perfectionné le concept des « hydrogels entièrement enzymatiques » (AEH). Ce procédé consiste à doter les enzymes de modules de liaison moléculaires adaptés. « Lorsque les composants complémentaires entrent en contact, ils s’organisent d’eux-mêmes en réseaux protéiques tridimensionnels », explique Niemeyer. « Les enzymes sont ainsi à la fois le catalyseur et le matériau de construction des billes – un avantage majeur par rapport aux procédés conventionnels. Nous évitons ainsi d’utiliser un support inactif et augmentons l’efficacité de la réaction chimique souhaitée. »
Les chercheurs ont exploité ces propriétés pour fabriquer, en deux étapes, des billes pratiques (en anglais : « beads »). Ils ont d’abord réuni des composants enzymatiques complémentaires dans des gouttelettes de liquide, puis les ont fixés par congélation rapide dans de l’azote liquide. La lyophilisation qui a suivi a permis d’obtenir des billes protéiques poreuses, mécaniquement stables et de taille définie. Les particules séchées peuvent être remises en suspension dans un liquide et utilisées pour des réactions biocatalytiques.
Système modulaire à base d’enzymes et de cellules
À l’aide d’enzymes et de types de réactions très variés, l’équipe a démontré que ce procédé est polyvalent. Il a été possible d’organiser dans les billes aussi bien des fonctions catalytiques individuelles que des systèmes composés de plusieurs enzymes – avec ou sans adjuvants supplémentaires. « On peut adapter la composition du matériau en fonction de la réaction souhaitée », explique Niemeyer. « C’est une sorte de système modulaire : nous pouvons assembler différents modules enzymatiques en réseaux catalytiques à l’aide de modules de liaison définis, puis les transformer en particules faciles à manipuler.» Les scientifiques ont également démontré l’efficacité des billes AEH pendant plusieurs heures dans des réacteurs à flux continu.
Lors d’autres essais, l’équipe a combiné les modules enzymatiques avec des cellules de la bactérie Escherichia coli pour produire des billes hybrides. Contrairement aux enzymes, les cellules peuvent, par exemple, fournir de l’énergie chimique ou générer des produits intermédiaires. Les billes hybrides sont restées catalytiquement actives même après plus de quatre semaines de stockage à sec à température ambiante. Même après cinq mois de stockage, les fonctions du système cellule-enzyme étaient encore détectables. De plus, les chercheurs ont montré qu’il était possible de récupérer des cellules viables à partir de ces matériaux, tout en conservant leur fonction génétique.
Utilisables pour la chimie fine ou les médicaments
« Avec ces billes hybrides, nous combinons deux formes de biocatalyse qui sont généralement considérées séparément », explique Niemeyer. « Nous pouvons y associer de manière ciblée différentes enzymes tout en tirant parti des capacités des cellules vivantes. On obtient ainsi un matériau qui allie ces deux approches et qui est facile à manipuler. » Les domaines d’application potentiels concernent par exemple la fabrication de produits chimiques fins, d’arômes, de composants actifs pharmaceutiques et d’autres produits chimiques de haute qualité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Jennifer Kühne, Julian S. Hertel, André Delavault, et al.; "Programmable Carrier‐Free All‐Enzyme Beads for Modular Continuous‐Flow Biocatalysis"; Advanced Materials, 2026-9-24
Marius Stoeckle, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer; "Self‐Assembled Hybrid Cell‐Enzyme Materials for Gas‐Powered Biocatalysis"; Advanced Functional Materials, 2026-9-2
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