Biomimetic reactor : compartmentalizing and coupling the regeneration of the NAD(P)H cofactor and the biocatalytic oxidation of hydrogen

Réacteur biomimétique : compartimenter et coupler la régénération du cofacteur NAD(P)H et l’oxydation biocatalytique de l’hydrogène La régénération des cofacteurs NADH et NADPH est un sujet important en biotechnologie car de nombreuses enzymes redox, telles que les alcools déshydrogénases, les imines réductases et les monooxgénases P450, ont besoin de cofacteur pour fournir leur équivalent redox. Cependant, comme les cofacteurs sont particulièrement coûteux, l'apport d'un cofacteur stœchiométrique lorsque ces enzymes sont utilisées en synthèse chimique n'est pas économiquement réalisable. Pour résoudre ce problème, un certain nombre de systèmes de régénération des cofacteurs ont été mis au point. Les systèmes traditionnels de régénération des cofacteurs réduits présentent des inconvénients car la plupart d'entre eux nécessitent un co-substrat réducteur sacrificiel à base de carbone et produisent un sous-produit susceptible d'être brûlé comme déchet, ce qui entrave la purification du produit en aval et réduit l'économie atomique. Dans ce travail, la mise en œuvre de la biocatalyse redox dans un réacteur à flux couplant séparément l'oxydation de l'hydrogène à la régénération du NADH a été développée. Une hiérarchisation des travaux était importante afin de procéder à une régénération efficace du NADH. Tout d'abord, dans un bioréacteur à flux redox hybridé avec une électrode à diffusion gazeuse pour l'oxydation de l'hydrogène, la régénération électrochimique du NADH par un complexe de rhodium dissous ([Cp*Rh(bpy)Cl] +) a été mise en œuvre. Initialement, le réacteur a été optimisé en termes de concentrations de complexe de rhodium et de NAD+ ([NAD+] /[Cp*Rh(bpy)Cl] + = 40), de non-humidification de l'hydrogène gazeux, de débits de H2 gazeux et de solution électrolytique (20 mL.min-1), et de pH de la solution (7,2). Deuxièmement, afin de promouvoir le meilleur cyclage du catalyseur et du cofacteur enzymatique et une purification potentiellement plus facile des molécules synthétisées, l'immobilisation du complexe de rhodium a été effectuée sur un papier carbone recouvert de nanotubes de carbone (Rh@CP-MWCNT). L'électrode Rh@CP-MWCNT s'est avérée stable pendant des périodes de plus de 5 jours dans des conditions de flux continu. Ensuite, la régénération de NADH a été couplée à la biosynthèse de pyruvate catalysée par la L-lactate déshydrogénase (LDH) : l'enzyme a été immobilisée sur une couche séparée et placée à environ 50 µm de la matrice Rh-CP-MWCNT. Une concentration de cofacteur de 10 µM s'est avérée suffisante pour la conversion du pyruvate avec une efficacité faradique élevée (78 %) et des niveaux de recyclage (TTN) de 1,8*104 , 2,5*103 et 1,8*105 pour le complexe de Rh, le NADH et la LDH, respectivement. D'autre part, pour élargir l'étude, les catalyseurs chimiques ont été remplacés par des catalyseurs biologiques. La FNR, Ferrédoxine NADP+ réductase, a ainsi remplacée le complexe de Rh au compartiment cathodique. Malgré le fait que le cofacteur NAD(P)+ soit réduit à un potentiel plus négatif (-0,7 V vs ref (H2)) que celui du complexe de Rh (-0,3 V vs ref (H2)), la FNR a démontré sa capacité à régénérer le NADPH et le NADH, et des niveaux élevés de TTN pour le cofacteur (10 000) ont été mesurés une fois couplée à la bioconversion du pyruvate catalysée par la LDH. De plus, l'échange du platine recouvrant l'électrode de diffusion gazeuse par l'hydrogénase, un biocatalyseur électroenzymatique, pour l'oxydation de l'hydrogène a été réalisé sur une couche de diffusion gazeuse qui a montré une efficacité envers l'oxydation de l'hydrogène qui a été couplée à la réduction de NAD+ catalysée par le complexe Rh dans un réacteur batch.