Towards artificial CO2 reductases and artificial hydrogenases

Vers des CO2 réductases artificielles et des hydrogénases artificielles L'accumulation de CO2 due à la combustion des énergies fossiles contribuant au changement climatique et le caractère non renouvelable des énergies fossiles souligne le besoin d'alternatives durables en termes d'énergie et de source de Carbon utilisable dans l'industrie chimique. Le CO2 peut être transformé en composés utiles comme le monoxyde de Carbon et l'acide formique grâce à des procédés photochimiques. De plus, l'hydrogène issu de la réduction de l'eau est un carburant propre prometteur. Inspirés par les enzymes naturelles, les scientifiques explorent l'enzymologie artificielle pour créer des systèmes catalytiques en intégrant des catalyseurs synthétiques dans des protéines hôtes. L'objectif de cette thèse était de développer des enzymes artificielles efficaces et sélectives dont les cofacteurs seraient composés de métaux bon marché et abondants pour réduire le CO2 ou produire du H2 par photocatalyse. Le premier chapitre présente les enzymes artificielles utilisées comme photo catalyseurs pour la réduction du CO2 et des protons en H2 en milieu aqueux. Le deuxième chapitre décrit le développement et la caractérisation d'une réductase artificielle du CO2, issue de la combinaison d'une hémoprotéine, l'hème oxygénase, avec une protoporphyrine IX de cobalt. Cette enzyme artificielle s'est montrée active pour réduire le CO2 en CO atteignant une fréquence de rotation (TOF) d'environ 616 h-1, une valeur de rotation (TON) d'environ 589 après 3h de réaction, et une sélectivité de 72 % pour la production de CO par rapport à la génération de H2. Des expériences photo-physiques ont permises de mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Nous avons obtenu aussi une structure cristalline de l'enzyme en présence et en absence du substrat dans le site actif. Ces résultats nous ont permis de mettre en place une stratégie de mutagenèse dirigée de résidus à proximité du cofacteur dans le but de moduler l'activité de l'enzyme. Dans une troisième partie de ce manuscrit, nous rapportons la préparation de metallo-enzymes artificielles basées sur la structure de l'hème oxygénase dans laquelle des salophènes métalliques (métal = FeIII, CoII, MnIII et CrIII) ont été insérés. Nous montrons que les dérivés à base de cobalt présentent une bonne activité pour la photo réduction du CO2 en monoxyde de carbone (CO), atteignant un TON de 253 et un TOF de 755 h-1. De plus, ces enzymes artificielles ont montré une sélectivité de 100% envers la réduction du CO2. Nous avons aussi conduit des études de mutagenèse dirigée des résidus dans le site actif de la protéine afin de moduler l'activité de cette dernière. Enfin, dans la dernière partie de ce manuscrit, nous décrirons la préparation et la caractérisation biochimique et spectroscopique complète d'une petite métalloprotéine bactérienne (12 kDa) appelée la protéine orange (Orp). Cette protéine contient un cluster unique et linéaire à base de molybdène et de cuivre ([S2MoS2CuS2MoS2]3−). En effectuant des simulations d'amarrage et des études de moléculaires dynamiques, nous avons proposé une structure de l'holo-Orp dans laquelle le cluster chargé négativement est lié de manière non covalente à une cavité contenant des lysines et des arginines chargées positivement à la surface de la protéine. Alors que l'Orp s'est révélée inactive pour la réduction du CO2 elle s'est cependant, l'Orp s'est montré efficace pour la réduction des protons. Après optimisation des conditions de photo réaction, l'holo-Orp a atteint un TON de 890 après 4h de réaction. De plus, sous avons reconstitué l'Orp avec une série de clusters dinucléaires [S2MS2M'S2MS2](4n)−, avec M = MoVI, WVI et M'(n+) = CuI, FeI, NiI, CoI, ZnII, CdII conduisant à différents dérivés M/M'-Orp qui se sont révélés actifs, le catalyseur Mo/Fe-Orp affichant un TON de 1150 après 2,5h de réaction et une fréquence de TOF de 800 h-1. Enfin, des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité nous ont permises de proposer un mécanisme de réaction.