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112 | 2013
Annuaire du Collège de France 2011-2012
Résumé des cours et travaux 112e année
I. Sciences mathématiques, physiques et naturelles

Chimie des processus biologiques

Marc Fontecave
p. 221-240

Plan

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Notes de la rédaction

Cours et séminaires sont disponibles en audio et en vidéo sur le site Internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/marc-fontecave/course-2011-2012.htm et http://www.college-de-france.fr/site/marc-fontecave/seminar-2011-2012.htm. Les enregistrements audio du colloque « La sécurité des batteries à ions lithium : Possibilité de risque zéro ? » sont également en ligne sur le site Internet du Collège de France  : http://www.college-de-france.fr/site/marc-fontecave/symposium-2011-2012.htm

Texte intégral

Enseignement

Cours : Catalyseurs bio-inspirés et métallo-enzymes artificielles : le mariage de la chimie et de la biologie

1Les contraintes environnementales, économiques et sociologiques nouvelles invitent nos sociétés à révolutionner leurs modes de production et leurs technologies. Dans un contexte de croissance forte de la population mondiale, de dégradation de notre environnement (air, eau, etc.) et d’appauvrissement en ressources traditionnelles (sources d’énergie fossiles, métaux), la nécessité d’utiliser de plus en plus de ressources renouvelables (soleil, biomasse, etc.), aussi bien par exemple pour notre consommation d’énergie (électricité, carburants) que pour la production de matériaux divers, la nécessité aussi de limiter les déchets et de mettre au point des procédés industriels économes en énergie et en produits de base, la nécessité enfin de limiter la toxicité des objets produits se traduisent pour les chercheurs et les ingénieurs par des défis scientifiques totalement nouveaux et fascinants. Dans ce contexte, pour la chimie, qui a l’ambition de devenir « verte », ces nouveaux développements passent en particulier par la recherche et l’exploitation de nouveaux catalyseurs.

2L’une des approches les plus séduisantes pour développer ces catalyseurs « verts » est celle qui consiste à mieux comprendre la nature et à s’en inspirer pour « inventer », en mariant la biologie et la chimie, des procédés et des systèmes originaux qui satisfont à ces nouveaux critères. En effet, le monde vivant, animal, végétal ou microbien, a, au cours d’une très longue évolution, mis au point des stratégies, propres, économes et efficaces, pour construire des systèmes complexes et organisés, à partir de briques simples de notre environnement (soleil, eau, CO2, O2, etc.) et pour les adapter en permanence aux fluctuations de cet environnement. Pour ce faire, elle s’appuie sur des biocatalyseurs, essentiellement enzymes et métallo-enzymes, doués de propriétés exceptionnelles, en termes de sélectivité et d’efficacité, et qui représentent des sources d’inspiration fascinantes. Les différents exposés (cours et séminaires) ont pour but de décrire les concepts, les méthodes et les résultats récents attachés aux approches de « catalyse biomimétique et bio-inspirée », qui conduisent à des catalyseurs chimiques reproduisant certaines propriétés de structure et de fonction des biocatalyseurs, ainsi que celles d’« enzymes artificielles », catalyseurs hybrides combinant des composants biologiques (protéines) à des composants chimique de synthèse.

Cours 1. Métallo-enzymes artificielles et catalyse : diversifier la biologie avec la chimie

3Une introduction générale permet de discuter des avantages et inconvénients respectifs des biocatalyseurs (enzymes) et des catalyseurs de synthèse. Si les premiers sont doués de propriétés d’efficacité catalytique et de sélectivités remarquables, essentiellement fournies par l’environnement protéique, les seconds sont moins contraints en termes de conditions de travail (température, pression, solvants, etc.) et d’ions métalliques utilisables, la synthèse permettant d’explorer des espaces chimiques pour ainsi dire infinis. Le concept de « métallo-enzyme artificielle » est né de cette idée de combiner les deux mondes, en associant un catalyseur de synthèse à une enveloppe protéique pour atteindre des propriétés nouvelles. Dans ce premier cours sont donnés plusieurs exemples marquants illustrant cette approche. On peut donc construire des catalyseurs bio-hybrides ou des métallo-enzymes artificielles :

  • à partir d’une métallo-enzyme dans laquelle on remplace le métal naturel par un autre métal (exemple : remplacement du Zn par du Rh dans l’anhydrase carbonique conduisant à une enzyme catalysant des réactions d’hydrogénation) ;

  • à partir d’une métalloprotéine dans laquelle on remplace le cofacteur par un analogue en le fixant de façon covalente ou non (exemple : remplacement de l’hème de la myoglobine par des complexes Mn(salen) conduisant à des propriétés catalytiques de monooxygénation) ;

  • à partir d’une protéine possédant un site spécifique pour un ligand ; un conjugué ligand-complexe se fixe à cette protéine efficacement et sélectivement, ce qui conduit à une métalloprotéine artificielle (exemple : la streptavidine associée à un conjugué biotine-catalyseur) ;

  • à partir d’une protéine qu’on modifie pour fixer de façon covalente un catalyseur de synthèse ;

  • à partir d’une protéine dans laquelle on crée par mutagénèse dirigée un site de fixation d’un ion métallique (exemple : ajout dans la myoglobine d’un site à fer non héminique, conduisant à un site actif binucléaire ressemblant à celui de la NO réductase ou de la cytochrome oxydase).

4D’autres polymères biologiques peuvent être utilisés. C’est le cas par exemple de l’ADN sur lequel on peut fixer des complexes de cuivre, ce qui conduit à des métallo-enzymes artificielles capables de catalyser des réactions de Diels-Alder dans l’eau.

Cours 2. Bio-hybrides et photosynthèse artificielle

5Dans ce deuxième cours, l’approche « métallo-enzyme artificielle » est illustrée spécifiquement par des exemples de catalyseurs hybrides pour la photosynthèse artificielle. Il s’agit d’inventer de nouveaux catalyseurs performants pour la photo-décomposition de l’eau en hydrogène et oxygène permettant de stocker l’énergie solaire sous forme de carburants. Sans doute la plus belle démonstration qu’il est possible de faire cela de façon artificielle est celle développée par Moore et Gust en 1997 et 1998, quand ils intègrent une triade synthétique, comportant un photosensibilisateur, entre un accepteur et un donneur d’électrons, dans une bicouche lipidique et induisent par irradiation lumineuse un gradient de pH qui permet de fournir l’énergie nécessaire à une ATP synthase. L’ensemble convertit donc l’énergie solaire en énergie chimique (ATP). Au cours des dernières années, de nombreux systèmes hybrides à base de photosystème I ont été préparés et étudiés. Associé à des particules de platine ou à des hydrogénases ou encore à des cobaloximes, en présence d’un donneur d’électrons sacrificiel, le photosystème I permet une photo-réduction efficace des protons en hydrogène. Dans ce cours sont également évoqués les projets du laboratoire pour la mise au point d’hydrogénases artificielles, combinant par exemple la myoglobine, dans laquelle l’hème a été enlevé, ou bien l’hème oxygénase, sous sa forme apo, et des complexes de cobalt doués d’activité catalytique pour la production d’hydrogène. Ceci permet de montrer comment ce type de recherche peut être mise en œuvre.

Cours 3. Chimie biomimétique : quand les chimistes imitent le vivant

6Une autre approche, appelée « biomimétique », pour inventer de nouveaux catalyseurs, consiste à copier les sites actifs d’enzymes d’intérêt. La démarche est la suivante. Lorsqu’on cherche des catalyseurs pour une réaction donnée, il peut être judicieux de regarder comment la nature procède. L’étude détaillée (mécanisme chimique, structure) d’une métallo-enzyme, si elle existe, catalysant la réaction ciblée, permet de caractériser à l’échelle atomique le site actif de cette enzyme, c’est-à-dire le site où les substrats sont activés et transformés. Ces informations peuvent être exploitées à travers la synthèse d’un complexe métallique qui reproduit fidèlement ce site actif. Cela fait maintenant longtemps que les chimistes ont démontré leur capacité à reproduire par synthèse des morceaux d’enzymes. Il faut noter que cette démarche sous-entend qu’il suffit de copier le site actif en faisant abstraction de tout le reste de la chaîne polypeptidique. De nombreux résultats ont montré que cette hypothèse était justifiée même si évidemment l’environnement protéique fournit à l’enzyme des propriétés qu’on ne retrouvera pas dans le catalyseur biomimétique. Ces nouveaux objets moléculaires peuvent non seulement fournir des catalyseurs originaux mais également constituer des outils uniques pour étudier en retour certaines des propriétés des enzymes copiées (mécanismes, intermédiaires réactionnels, etc.). Cette approche de chimie biomimétique est à nouveau illustrée dans le cours dans le cadre de la recherche de catalyseurs pour la décomposition de l’eau en oxygène et hydrogène. Plusieurs complexes polynucléaires de manganèse, reproduisant remarquablement le site d’oxydation de l’eau dans le photosystème II, et des complexes binucléaires de fer ou bien de nickel et de fer très intéressants, reproduisant le site actif des hydrogénases, ont été préparés et étudiés au cours des dernières années. Leur synthèse, leur structure et leur activité sont discutées.

Cours 4. Chimie bio-inspirée : quand l’esprit « bio » vient aux chimistes

7L’inconvénient majeur de l’approche strictement biomimétique est qu’elle empêche le chimiste d’explorer un large espace d’atomes et de molécules pour atteindre l’objectif visé, puisque le principe est la copie stricte du site actif. Une autre approche plus intéressante, dite de « chimie bio-inspirée », parie sur le fait qu’une connaissance précise de la structure d’un site actif enzymatique peut être exploitée pour inventer des catalyseurs dont les principes de fonctionnement s’inspirent de ceux de l’enzyme en activité. Cette seconde variante autorise notamment l’utilisation d’éléments chimiques ou de combinaisons d’atomes que la nature n’a ni explorés pour des questions de biodisponibilité, ni sélectionnés à cause par exemple de leur toxicité durant l’évolution, mais qui respectent tout aussi bien le cahier des charges identifié dans l’enzyme. On parlera alors de modèles « bio-inspirés ». De tels catalyseurs présentent de nombreux avantages. Faciles à synthétiser et peu couteux à produire à grande échelle, ils peuvent, contrairement aux enzymes dont ils s’inspirent, être utilisés dans de nombreux solvants organiques ou même dans l’eau, pour certains, et dans une grande gamme de températures ou de pressions. Ils sont également moins sensibles à l’oxydation à l’air. Parmi les inconvénients, les catalyseurs bio-inspirés sont souvent moins actifs, moins stables et moins sélectifs que les enzymes. Solubles, ils souffrent également d’un problème récurrent en catalyse homogène, celui de leur intégration dans un procédé technologique. Ainsi, la découverte d’un catalyseur moléculaire prometteur pour une application industrielle appelle souvent son greffage sur un matériau insoluble. Ce concept a été illustré pendant ce cours par la mise au point, réalisée dans notre laboratoire et publiée dans les revues Science en 2009 et Angew. Chem. en 2011, d’un catalyseur à base de nickel, inspiré du site actif des hydrogénases à Ni et Fe. Ce complexe, greffé sur des nanotubes de carbone, possède des propriétés catalytiques remarquables pour la réduction des protons en hydrogène et l’oxydation de l’hydrogène, ouvrant des perspectives intéressantes pour la mise au point d’électrolyseurs et de piles à combustible sans métaux nobles. Un film, racontant cette aventure et réalisé par M. Chauvin avec la collaboration de M. Fontecave et V. Artero, est projeté au cours de la séance.

Cours 5. Matériaux catalytiques bio-inspirés et biohybrides

8Les enzymes sont des molécules. Il n’est donc pas étonnant que les démarches de chimie biomimétique et bio-inspirée aient conduit essentiellement à des catalyseurs moléculaires. Cependant, depuis peu, l’approche bio-inspirée est utilisée aussi par les chimistes des matériaux qui se permettent, à juste titre, de traduire les informations structurales et fonctionnelles concernant les sites actifs de métallo-enzymes en nouveaux matériaux bio-inspirés catalytiques. Dans ce cours, on discute en détail des exemples suivants : (i) les oxydes mixtes de manganèse et de calcium, inspirés du site actif du photosystème II, qui possèdent des propriétés remarquables de catalyse pour l’oxydation de l’eau en oxygène ; (ii) les sulfures de molybdène qui, comme le site actif des nitrogénases, catalysent la réduction des protons en hydrogène.

9Les systèmes bio-hybrides et de métallo-enzymes artificielles discutés dans les cours 1 et 2 combinaient des protéines réceptrices et des complexes moléculaires. Le caractère moléculaire des derniers n’est pas obligatoire. On peut aussi combiner des protéines et des matériaux solides. C’est le cas par exemple des systèmes qu’il est possible de préparer avec la ferritine. Cette protéine, impliquée dans le stockage du fer cellulaire, possède une cavité large dans laquelle peuvent s’accumuler des centaines et milliers d’atomes métalliques. Il est donc possible de faire précipiter dans cette cavité des particules de Pt, de Pd, d’oxydes de cérium. Ces assemblages sont ensuite étudiés pour leurs propriétés catalytiques (hydrogénation, catalase, péroxydase, etc.). Les virus constituent une autre classe de « cages » biologiques très étudiée. Il est possible d’y précipiter des nanoparticules d’or ou des oxydes de fer. Ces différents assemblages biologiques artificiels sont discutés.

Cours 6. Polymères de coordination bio-hybrides : une nouvelle classe de métallo-enzymes artificielles

10Le dernier cours a porté sur une classe de composés très étudiés actuellement, les polymères de coordination ou MOFs (Metal Organic Frameworks). Il s’agit de matériaux poreux tridimensionnels obtenus par réaction d’ions métalliques avec des ligands organiques (acide téréphtalique, par exemple). Ces matériaux sont développés dans des applications de type adsorption et séparation de molécules, adsorption de gaz, et depuis peu en catalyse.

11Dans ce cours sont présentés les développements récents de préparation de MOFs à partir de briques organiques biologiques : acides aminés, peptides, sucres, bases nucléiques, hèmes. Ces systèmes bio-hybrides sont étudiés pour leurs propriétés catalytiques et notamment leurs propriétés de sélectivité dans la reconnaissance de molécules et dans la catalyse (énantiosélectivité). Encore plus récemment, les MOFs sont exploités dans des réactions catalytiques d’oxydation de l’eau, de photoréduction du CO2 et de photoréduction des protons en hydrogène.

Séminaires

Une protéine comme boule de cristal : dissection d’un mécanisme d’activation de O2 et variations autour du concept de métallo-enzymes artificielles

Séminaire du 2 mai 2012 : Stéphane Ménage, directeur de recherches CNRS, laboratoire de Chimie et biologie des métaux (université de Grenoble, UMR 5249)

  • 1  Cf. Kovaleva E.G. & Lipscomb J.D., « Versatility of biological non-heme Fe(II) centers in oxygen (...)
  • 2  Cf. Cavazza C., Bochot C., Rousselot-Pailley P., Carpentier P., Cherrier M.V., Martin L., Marchi- (...)

12La chimie des protéines fascine les chimistes de synthèse, en particulier par les vitesses ou les sélectivités extraordinaires des réactions enzymatiques. C’est notamment le cas de l’activation de l’oxygène moléculaire, catalysée par des métallo-enzymes, mono-oxygénases ou di-oxygénases. Ce processus est primordial dans le monde du vivant puisqu’il permet d’utiliser l’oxygène de l’air dans des réactions d’oxydation désirées et contrôlées. Il existe aujourd’hui une approche bio-inspirée de cette catalyse chimique qui consiste à mimer en partie la structure d’un site actif d’enzymes pour reproduire son activité, qui reste cependant modeste en raison d’une faible sélectivité1. Pour se rapprocher de l’enzyme, il faut d’abord être capable d’en comprendre le mécanisme intime. C’est le sujet de ce séminaire où est présenté un nouveau concept pour l’étude du mécanisme de catalyseurs métalliques chimiques, alliant cristallographie des protéines et catalyse bio-inorganique. Ainsi, il devient possible de définir de visu les différentes étapes d’une réaction d’hydroxylation aromatique par un complexe de fer, en mettant en évidence le rôle du métal2. De cette approche découle la mise au point de nouvelles oxygénases artificielles capables de réactions énantiosélectives. Ces systèmes hybrides illustrent une nouvelle approche de la catalyse dans le cadre de la chimie verte.

Métallo-enzymes artificielles : catalyseurs hybrides à l’interface entre la chimie et la biologie

Séminaire du 9 mai 2012 : Thomas Ward, professeur à l’université de Bâle, département de chimie

13Un catalyseur, véritable perpetuum mobile chimique, permet de diminuer l’énergie nécessaire pour effectuer une réaction chimique sans être affecté par cette transformation. De par cette propriété unique, il occupe une place de choix dans une société en quête d’économies d’énergie et de ressources naturelles renouvelables.

14On distingue trois types de catalyseurs : les enzymes, les catalyseurs hétérogènes et les catalyseurs homogènes. Les enzymes, véritables robots nanoscopiques issus de l’évolution, orchestrent tous les processus du monde vivant : photosynthèse, reproduction cellulaire, digestion, etc. Les catalyseurs hétérogènes sont largement utilisés dans les réactions chimiques à large échelle se produisant à haute température : synthèse de l’ammoniac, catalyseur automobile, etc. Bien que moins sophistiqué qu’une enzyme, un catalyseur homogène, création humaine par excellence, favorise diverses réactions chimiques, inconnues en biologie.

15L’introduction par voie chimique d’un métal dans un environnement protéique permet la création de métallo-enzymes artificielles, alliant ainsi les avantages des enzymes à ceux des catalyseurs homogènes.

16Dans cet exposé sont présentées les diverses approches actuelles utilisées dans la création de ces catalyseurs hybrides. Un accent particulier est mis sur les métallo-enzymes artificielles contenant des métaux précieux qui catalysent des transformations chimiques inconnues du monde vivant. Celles-ci peuvent être intégrées dans des réactions biochimiques en cascade, offrant ainsi des perspectives fascinantes dans le domaine de la biotechnologie.

Lumière et énergie, les nouvelles cellules solaires à colorant

Séminaire du 23 mai 2012 : Michael Grätzel, laboratoire de Photonique et interfaces, École polytechnique fédérale de Lausanne

  • 3  Cf. O’Regan B.et Grätzel M., Nature, 335, 1991, 7377 ; Bach U., Lupo D., Comte P., Moser J.E., We (...)
  • 4  Grätzel M., Acc. Chem. Res., 42(11), 2009, 1788-1798.
  • 5  Grätzel M., L’actualité chimique, 308/309, 2007, 57-60.

17Les cellules solaires traditionnelles convertissent la lumière en électricité en exploitant l’effet photovoltaïque qui apparaît à la jonction de semi-conducteurs. Ce sont donc des dispositifs proches des transistors ou des circuits intégrés. Le semi-conducteur remplit simultanément les fonctions d’absorption de la lumière et de séparation décharges électriques résultantes. Pour que ces deux processus soient efficaces, les cellules doivent être fabriquées avec des matériaux de haute pureté. Leur production est par conséquent onéreuse, ce qui limite leur emploi pour la production d’électricité à grande échelle. Les cellules que nous avons découvertes dans le cadre de nos recherches fonctionnent selon un autre principe, qui différencie les fonctions d’absorption de la lumière et de séparation des charges électriques3. En imitant les principes utilisés par les plantes vertes dans la photosynthèse, nous avons développé une nouvelle cellule solaire qui réussit à récolter la lumière de façon très efficace par une couche moléculaire de sensibilisateurs attachée à la surface d’un film constitué par des nanocristaux d’un oxyde semi-conducteur de large bande interdite et ayant une grande rugosité4. De cette façon, il devient possible de convertir la lumière visible en courant électrique avec un rendement quantique externe proche de 100 %. Au stade actuel, le rendement global de conversion d’énergie solaire en électricité est de 12,3 %5. Par leurs propriétés optiques uniques, ces cellules trouveront de nouveau créneaux d’application tels que la réalisation de vitres électrogènes pour le bâtiment. En vertu de leur bonne stabilité, de leur bas coût de production et de leur large domaine d’application, ainsi que de leur compatibilité avec l’environnement, ces cellules sont devenues des candidates crédibles pour une production d’électricité à grande échelle à partir du rayonnement solaire.

Oxydations biologiques sélectives et adaptation des organismes vivants à leur environnement chimique : vers des catalyseurs bio-inspirés de plus en plus efficaces

Séminaire du 30 mai 2012 : Daniel Mansuy, UMR 8601, université Paris Descartes

18Les oxydations biologiques sélectives intervenant dans la biosynthèse des endobiotiques (molécules endogènes comme les hormones stéroïdes chez l’homme, les alcaloïdes chez les plantes ou les terpènes au niveau des microorganismes, etc.), ainsi que dans le métabolisme et l’élimination des xénobiotiques (médicaments, pesticides, ou toute substance chimique de notre environnement), sont le plus souvent catalysées par des enzymes à fer comme les cytochromes P450. Un des apports majeurs des études réalisées sur ces métallo-enzymes et leurs modèles biomimétiques entre 1980 et 2000 a été de montrer l’importance clé d’espèces de type fer-oxo à haut degré d’oxydation du fer dans la plupart de ces oxydations. En partant de ce résultat, plusieurs générations de catalyseurs d’oxydation biomimétiques ou bio-inspirés ont été mises au point. Les applications de ces systèmes catalytiques de transfert d’atome d’oxygène ou de nitrènes en synthèse organique ont fait l’objet de revues très récentes (2009-2011). Au niveau industriel, certains de ces systèmes sont utilisés dans les sociétés pharmaceutiques et sont proposés par des PME pour la prévision du métabolisme des médicaments et la préparation des métabolites d’oxydation.

19L’adaptation des êtres vivants à leur environnement chimique est basée sur leur capacité à oxyder efficacement et à éliminer la myriade de substances chimiques auxquelles ils sont exposés. Ceci est réalisé par un petit nombre de métallo-enzymes (environ une vingtaine chez l’homme) qui, en dépit de leur très faible spécificité de substrat, sont efficaces et sélectives. Ce n’est que depuis 2003 que l’on commence à comprendre comment ces enzymes s’adaptent à des substances chimiques de structures extrêmement variées. La compréhension récente des mécanismes de leur adaptabilité à des substrats très divers ouvre la voie, pour les années à venir, à la mise au point de nouvelles générations de catalyseurs bio-inspirés adaptables et beaucoup plus efficaces pour des oxydations sélectives en chimie organique, l’étude du métabolisme des médicaments et autres xénobiotiques, et la dépollution.

Propriétés chimiques et physiques de quelques produits naturels : biomécanistique et synthèse biomimétique

Séminaire du 6 juin 2012 : Ali Al-Mourabit, directeur de recherche ICSN/CNRS, centre de rRecherche de Gif-sur-Yvette, Institut de chimie des substances naturelles, UPR 230

20Dans la nature, la machinerie cellulaire synthétise des substances naturelles extraordinairement diverses et les modifie en fonction des besoins et des contraintes environnantes. La chimie des produits naturels permet non seulement la découverte de ces nombreuses structures mais également d’analyser leurs réactivités afin de découvrir leurs propriétés qui peuvent être de nature chimique, biologique ou physique. Ces propriétés peuvent constituer parfois de véritables indices quand aux rôles des substances naturelles dans l’organisme qui les produit.

  • 6   Références : Al-Mourabit A., « Quand les chimistes imitent la nature », Pour la science, 73, 201 (...)

21Deux exemples de propriétés de métabolites d’origine marine sont abordés au cours du séminaire. La première partie est consacrée aux propriétés de molécules naturelles imidazoliques et pyrroliques ainsi qu’à leur origine biosynthétique. Nous voyons ensuite un exemple d’oxydation de dicétopipérazines par l’oxygène moléculaire ainsi que les propriétés de chimiluminescence liées à cette réaction bien connue dans le monde marin. Des exemples choisis dans les systèmes marins et terrestres bioluminescents sont analysés et leurs réactivités comparées6.

Ions métalliques et cavités biomimétiques

Séminaire du 20 juin 2012 : Olivia Reinaud, professeur à l’université Paris-Descartes, laboratoire de Chimie et biochimie toxicologiques et pharmacologiques, CNRS UMR 8601, PRES Sorbonne Paris-Cité

22Le monde biologique des protéines met en jeu des processus de reconnaissance basés sur de multiples interactions non-covalentes. De nombreuses protéines contiennent un ion métallique qui peut avoir un rôle structural mais peut aussi intervenir directement dans les processus de reconnaissance moléculaire ou même jouer le rôle de catalyseur permettant l’activation de petites molécules biologiques pour la transformation sélective de substrats organiques. Le site actif protéique des métallo-enzymes définit l’environnement du métal (nature des ligands, géométrie du site de coordination), protège les espèces réactives formées, assure une sélection sur la nature du substrat et facilite son acheminement au site actif puis son évacuation après réaction. Une approche pour aborder et étudier ces phénomènes de reconnaissance, de contrôle et de réactivité consiste en l’élaboration de systèmes modèles, c’est-à-dire de systèmes artificiels de faible poids moléculaire reproduisant ou mimant un ou plusieurs aspects préjugés importants dans l’activité biologique. D’un point de vue fondamental, l’objectif d’un tel travail de modélisation chimique, est multiple :

  • étudier le comportement de l’ion métallique ainsi confiné dans une structure macrocyclique contrôlant sa première et sa deuxième sphère de coordination tout en laissant un accès contrôlé d’interaction avec une molécule exogène au système ;

  • évaluer l’importance et les conséquences de ce contrôle supramoléculaire sur la réactivité de l’ion métallique ;

  • évaluer les effets de milieu : confinement en milieu protéique organique, accès au solvant H2O ;

  • d’un point de vue appliqué, élaborer ainsi de nouveaux récepteurs moléculaires avec comme perspective à plus long terme la mise au point de systèmes pouvant agir comme sonde, capteur ou catalyseur.

  • 7  Quelques références récentes : Bistri O., Colasson B. et Reinaud O., « Recognition of Primary Ami (...)

23L’objectif de ce séminaire est de présenter une approche biomimétique et supramoléculaire avec des systèmes artificiels mimant à la fois le site de coordination et la poche hydrophobe du site actif d’une métallo-enzyme. La stratégie repose sur la synthèse de cavités moléculaires fonctionnalisées par des groupements coordinants mimant les résidus imidazole des sites histidine classiquement présents au site actif des enzymes. Le rôle de la cavité est de contrôler à la fois la seconde sphère de coordination du métal et l’approche des molécules exogènes candidates à une interaction avec ce métal. Les effets cavitaires modifiant et contrôlant les propriétés de l’ion métallique ainsi confiné sont mis en évidence et discutés dans le contexte du biomimétisme en général et de la réactivité des métallo-enzymes en particulier. Quelques développements récents sur les systèmes hétéro-polymétalliques sont également présentés7.

Recherche

Travaux réalisés par l’équipe « Biocatalyse » (Grenoble) dirigée par M. Fontecave.

24Remarque : à partir du 1er janvier 2012, un laboratoire (FRE 3488 CNRS/Collège de France) a été créé sous la direction de M. Fontecave dans les locaux du Collège de France. Les premiers mois de l’année 2012 ont été consacrés à l’installation des personnels, la mise en place des équipements et le démarrage des projets de recherche.

25L’équipe, intitulée « Biocatalyse », animée par Marc Fontecave, fait partie du laboratoire de Chimie et biologie des métaux (UMR université Joseph Fourier-CEA-CNRS n° 5249, dirigée par Stéphane Ménage), localisé dans le Centre du CEA à Grenoble. Elle est constituée actuellement de 9 chercheurs et enseignants-chercheurs permanents (chercheurs CEA : V. Artero, M. Atta ; enseignant-chercheurs : M. Fontecave, C. Gerez ; chercheurs CNRS : E. Mulliez, S. Ollagnier-de-Choudens, F. Pierrel, M. Chavarot-Kerlidou, J. Willison) et de 2 personnels ITA (N. Atta, J. Fize).

Étudiants en thèse : M. Bacchi, M. Ozeir, A. Chan, T. Molle.

Post-doctorants : P. Perche, E. Andreiadis, G. Berggren, U. Forsman, T. Simmons, P. Sindelar.

26Les projets de l’équipe « Biocatalyse » concernent l’étude de métallo-enzymes à la fois du point de vue de leur structure et de leurs propriétés chimiques (mécanismes réactionnels). Les systèmes sont choisis soit parce qu’ils mettent en œuvre une chimie tout à fait originale (l’équipe s’intéresse en particulier aux enzymes qui font intervenir en les contrôlant des espèces radicalaires très actives), soit parce qu’ils remplissent des fonctions biologiques de toute première importance (synthèse et réparation de l’ADN, modification des ARNs de transfert, biosynthèse des centres fer-soufre, biosynthèse de cofacteurs comme l’ubiquinone, etc.), soit, enfin, parce qu’ils peuvent conduire à des applications intéressantes sur le plan de la santé (nouveaux antibactériens, nouveaux antioxydants), de la catalyse (production et oxydation de l’hydrogène) ou de l’environnement (toxicologie nucléaire). Certains de ces systèmes biologiques constituent de fait des sources uniques d’inspiration pour les chimistes de synthèse. Cette approche, biomimétique ou bio-inspirée, est en particulier très développée dans le cas des hydrogénases, des enzymes possédant des propriétés catalytiques uniques pour la réduction des protons en hydrogène ou pour l’oxydation de l’hydrogène en eau.

27On peut résumer l’ensemble des activités de l’équipe au cours de l’année 2011-2012 selon les 3 axes de recherche suivants :

A. Protéines fer-soufre : fonctions et maturation (M. Fontecave, E. Mulliez, M. Atta, S. Ollagnier-de-Choudens, C. Gerez)

28La famille d’enzymes fer-soufre, appelée « Radical-SAM » (SAM pour S-adénosylméthionine) est impliquée dans un très grand nombre de voies métaboliques et de réactions de biosynthèse chez tous les organismes vivants. Tous ces systèmes procèdent par réductolyse de la SAM, médiée par le centre fer-soufre, formation du radical organique 5’-deoxyadenosyle (Ado°) et activation radicalaire du substrat à transformer (figure 1).

  • 8  Atta S.M., Arragain S., Fontecave M., Mulliez E., Hunt J.F., Luff  J. D., Forouhar F., Biochem. B (...)

29Nous nous intéressons plus particulièrement aux systèmes qui catalysent des modifications sélectives de macromolécules comme des ARNs de transfert ou des protéines. L’objectif est de comprendre les mécanismes radicalaires de ces réactions complexes et la base moléculaire et structurale de leur extrême sélectivité. Ce domaine a fait l’objet d’un article de revue en 20128.

Figure 1 : Mécanisme général des enzymes « Radical-SAM »

Figure 1 : Mécanisme général des enzymes « Radical-SAM »
  • 9   Wei F.-Y., Suzuki T., Watanabe S., Kimura S., Kaistuka T., Fujimura A., Matsui H., Atta M., Font (...)

30Nous étudions en particulier l’enzyme bactérienne MtaB, qui catalyse une réaction fascinante de thiométhylation d’une base nucléique d’un ARN de transfert, conduisant à la production du nucléoside modifié ms2t6A. Ce dernier porte un groupe thréonyl-carbamoyle en position 6 et un groupe thiométhyle en position 2. Un aspect important de cette recherche est qu’il existe chez l’homme un homologue de YqeV/MtaB, la protéine CDKAL1. Le gène correspondant est connu comme un gène de susceptibilité au diabète de type 2 et de nombreux variants de cDKAL1 conduisent à une prédisposition au diabète. Les résultats obtenus avec l’enzyme bactérienne ont permis pour la première fois d’attribuer une fonction à cette protéine humaine : il s’agit en effet d’une thiométhyltransférase catalysant chez l’homme la production de ms2t6A (figure 2). L’obtention d’une souris KO a en effet permis de démontrer l’absence de la modification dans les ARNs de transfert et d’établir les conséquences sévères qui en découlent : mauvaise lecture du messager de la proinsuline, synthèse aberrante de l’insuline et défaut de sécrétion de l’insuline, intolérance au glucose, etc.9

Figure 2 : Méthylthiolation d’un ARNt par l’enzyme MtaB

Figure 2 : Méthylthiolation d’un ARNt par l’enzyme MtaB

31On sait depuis peu que les cellules disposent de machineries protéiques complexes pour la biosynthèse et l’assemblage des centres métalliques au sein de sites actifs d’enzymes. Certaines pathologies sont liées à des déficiences dans ces systèmes essentiels. L’étude de ces complexes protéiques et de leurs mécanismes d’action constituent un sujet prioritaire de l’équipe depuis plusieurs années.

  • 10  Tsaousis A.D., Gentekaki E., Ollagnier-de-Choudens S., Long S., Gaston D., Stechmann A., Fontecav (...)
  • 11  Barras F., Fontecave M., Metallomics, 3, 2011, 1130-1134.
  • 12  Py B., Gerez C., Angelini S., Ollagnier-de-Choudens S., Vinella D., Loiseau L., Fontecave M., Bar (...)

32Nous nous intéressons en particulier aux machineries protéiques complexes de biosynthèse des clusters fer-soufre, en particulier chez E. coli, qui comporte un système général d’assemblage des clusters, appelé ISC, ainsi qu’un système, appelé SUF, fonctionnel dans des conditions de stress (stress oxydant, carence en fer, etc.). En effet les clusters sont facilement dégradés en présence d’oxygène, d’eau oxygénée et de radicaux oxygénés. Récemment, nous avons montré que le parasite anaérobie Blastocystis, pathogène eucaryote, s’est adapté en acquérant le système SUF pour pouvoir synthétiser des clusters fer-soufre en situation de stress oxydant10. Il y a un autre stress qui a pour cible les clusters fer-soufre, celui induit par la présence de quantités importantes de métaux lourds toxiques. Nous avons pu montrer que c’était clairement le cas lors d’un stress cobalt11. Enfin, il est maintenant bien établi qu’à côté des machineries ISC et SUF il existe de nombreuses protéines d’assemblage associées qui contribuent à fournir au processus de biosynthèse des clusters fer-soufre des propriétés particulières. Nous avons par exemple découvert la protéine NfuA qui est capable de transporter un cluster [4Fe-4S] fourni par le système SUF pour contribuer spécifiquement à la maturation des enzymes fer-soufre essentielles au métabolisme, telles que l’aconitase (cycle de Krebs) et NuoG (une sous-unité du complexe I de l’appareil respiratoire), en situation de stress oxydant. Cette capacité est liée à une structuration particulière en deux domaines, l’un pour fixer le cluster, l’autre pour fixer la cible protéique qui reçoit le cluster du premier domaine (figure 3)12.

Figure 3 : Maturation d’une protéine fer-soufre par NfuA

Figure 3 : Maturation d’une protéine fer-soufre par NfuA

Le cluster passe du domaine de fixation des métaux (hexagone) de NfuA à la cible grâce à une interaction spécifique impliquant un domaine protéique de NfuA (losange)

  • 13  Tron C., Cherrier M.V., Amara P., Martin L., Fauth F., Fraga E., Correard M., Fontecave M., Nicol (...)

33Nous nous intéressons également aux systèmes de maturation des hydrogénases à fer, des enzymes aujourd’hui étudiées en raison de leur potentialités comme catalyseurs de production d’hydrogène. Notre travail a conduit récemment à caractériser trois protéines fer-soufre impliquées dans ce processus : HydE, HydF et HydG. Des caractérisations structurales et fonctionnelles de HydG préliminaires ont été obtenues13.

B. Nouveaux (photo)électrocatalyseurs pour la production et l’oxydation de l’hydrogène (V. Artero, M. Chavarot-Kerlidou, M. Fontecave)

  • 14  Fontecave M., Artero V., Comptes rendus de l’Académie des sciences, 14, 2011, 362-371 ; Artero V. (...)
  • 15  Canaguier S., Fontecave M., Artero V., Eur. J. Inorg. Chem., 2011, 1094-1099 ; Fourmond V., Canag (...)

34Le développement de « l’économie à hydrogène » nécessite en particulier la mise au point de nouveaux catalyseurs pour la production d’hydrogène à partir de l’eau (réduction de protons) et pour l’oxydation de l’hydrogène en eau (piles à combustible). En effet, le platine actuellement utilisé est coûteux et peu abondant. Les organismes vivants qui mettent en œuvre cette chimie utilisent des enzymes remarquablement efficaces, les hydrogénases, des métallo-enzymes à base de fer et de nickel. Le projet de recherche que nous développons consiste à inventer de nouveaux catalyseurs en nous inspirant des sites actifs de ces enzymes, à en évaluer les propriétés catalytiques pour l’électro-réduction des protons et à les utiliser dans des dispositifs pour des applications pratiques (nouvelles électrodes modifiées, nouvelles piles). La logique de cette approche bio-inspirée a été récemment expliquée dans une série d’articles de revue14. Les catalyseurs les plus étudiés au laboratoire récemment sont des complexes binucléaires de type Ni-Ru et Ni-Mn ainsi que des complexes mononucléaires de Ni greffés sur des nanotubes de carbone (figure 4)15.

Figure 4 : Quelques catalyseurs bio-inspirés

Figure 4 : Quelques catalyseurs bio-inspirés
  • 16  Bhattacharjee A., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., Field M.J., Artero V., Inorg. Chem., 51, 20 (...)

35Une autre famille de catalyseurs développés au laboratoire est constituée de complexes de cobalt (cobaloximes, diimine-dioxime de cobalt) (Figure 5). Ces catalyseurs moléculaires sont exploités comme électrocatalyseurs, en solution ou greffés sur des nanotubes de carbone, qui leur confèrent une plus grande stabilité et améliorent leurs propriétés catalytiques (faibles surtensions par exemple)16. Ces nanomatériaux catalytiques fournissent des matériaux d’électrodes très intéressants pour le développement d’électrolyseurs.

  • 17  Andreiadis E., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., Artero V., Photochem. Photobiol., 87, 2011, 94 (...)

36Une autre exploitation de ces catalyseurs consiste à les intégrer dans des photo-catalyseurs, pour catalyser la photoréduction de l’eau en hydrogène, ainsi que le font des organismes vivants comme les microalgues et les cyanobactéries, afin d’élaborer des photoélectrodes utilisables dans des cellules photoélectrochimiques pour la décomposition de l’eau. Ce travail a été mené au laboratoire essentiellement avec des complexes de cobalt, métal qui semble aujourd’hui le mieux développé dans ce type d’application17.

  • 18  Hamd W., Cobo S., Fize J., Baldinozzi G., Schwartz W., Reymermier M., Pereira A., Fontecave M., A (...)
  • 19  Cobo S., Heidkamp J., Jacques P.-A., Fize J., Fourmond V., Guetaz L., Jousselme B., Salazar R., I (...)

37Finalement, nous étudions également les propriétés catalytiques de dépôt de métaux (cobalt) ou d’oxydes métalliques (oxydes de fer, oxydes de cobalt) sur des électrodes. Il s’agit par exemple de développer des photoanodes dans lesquelles le photosensibilisateur est un semi-conducteur de type oxyde de fer et le catalyseur d’oxydation de l’eau est un oxyde de cobalt18. Nous avons récemment montré qu’il était possible de déposer sur une électrode un matériau à base de cobalt possédant des propriétés électrocatalytiques intéressantes pour la réduction de l’eau en hydrogène par électroréduction de sels de cobalt en tampon phosphate. Ceci peut constituer une cathode simple à préparer et performante19.

Figure 5 : Catalyseurs de réduction de l’eau en hydrogène à base de cobalt

Figure 5 : Catalyseurs de réduction de l’eau en hydrogène à base de cobalt

La diimine dioxime de cobalt peut être greffée sur des nanotubes de carbone

C. Étude de la biosynthèse de l’ubiquinone (F. Pierrel, M. Fontecave)

38Nous nous intéressons à certains aspects de la biosynthèse de l’ubiquinone, encore mal connue aujourd’hui malgré l’importance de ce cofacteur biologique. Il apparaît aujourd’hui que certains gènes de cette biosynthèse sont associés à des pathologies. Les premiers résultats, sur la levure comme modèle, semblent remettre en cause significativement la voie de biosynthèse généralement admise et très conservée chez tous les eucaryotes (figure 6).

Figure 6 : Biosynthèse de l’ubiquinone

Figure 6 : Biosynthèse de l’ubiquinone
  • 20  Ozeir M., Mühlenhoff U., Lill R., Fontecave M., Pierrel F., Chemistry and Biology, 18, 2011, 1134 (...)
  • 21  Xie L.X., Ozeir M., Tang J.Y., Chen J.Y., Kieffer-Jaquinod S., Fontecave M., Clarke C.F., Pierrel (...)

39Cette synthèse implique l’intervention de 9 protéines chez la levure, associées en complexe. Nous avons pu montrer récemment que la protéine Coq6 est en fait la mono-oxygénase qui catalyse la première hydroxylation20. L’un des résultats marquants de cette étude est que l’utilisation d’analogues du précurseur 4-HB de l’ubiquinone (figure 6), présentant un atome d’oxygène en position 5, comme l’acide vanillique ou le 3’4-dihydroxybenzoate, restaurent la biosynthèse d’ubiquinone dans un mutant △Coq6. Ceci laisse espérer que de telles molécules pourraient avoir un rôle thérapeutique chez les patients possédant une enzyme Coq6 inactive. Une autre étude a porté sur la protéine Coq8, qui possède une activité kinase dont la fonction est de stabiliser le complexe multiprotéique de biosynthèse de l’ubiquinone21.

Publications

2011

Fontecave M., Artero V., « Bioinspired Catalysis at the crossroads between Biology and Chemistry: a remarkable example of an electrocatalytic material mimicking hydrogenases », Comptes rendus de l’Académie des Sciences, 14, 2011, 362-371.

Canaguier S., Fontecave M., Artero V., « Cp*--Ruthenium-Nickel H2-evolving electrocatalysts as bioinspired models of NiFe hydrogenases »,Eur. J. Inorg. Chem., 2011, 1094-1099.

Léger A., Fontecave M., Labeyrie A., Samuel B., « Is the presence of oxygen on an exoplanet a reliable biomarker? »,Astrobiology, 11,2011, 335-341.

Tran P.D., Le Goff A., Heidkamp J., Jousselme B., Guillet N., Palacin S., Dau H., Fontecave M., Artero V., « Noncovalent Modification of Carbon Nanotubes with Pyrene-functionalized Ni complexes: Carbon Monoxide Tolerant Catalysts for H2 Evolution and Uptake »,Angew. Chem., 50, 2011, 1371-1374.

Tron C., Cherrier M.V., Amara P., Martin L., Fauth F., Fraga E., Correard M., Fontecave M., Nicolet Y., Fontecilla-Camps J.C., « Further Characterization of the [FeFe]-Hydrogenase Maturase HydG »,Eur. J. Inorg. Chem., 2011, 1121-1127.

Fourmond V., Canaguier S., Golly B., Field M.J., Fontecave M., Artero V., « A Nickel-Manganese Catalyst as a Biomimic of the active site of NiFe hydrogenases: a Combined Electrocatalytical and DFT Mechanistic Study »,Energy Env. Science, 4, 2011, 2417-2427.

Artero V., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., « Splitting Water with Cobalt », Angew. Chem., 50, 2011, 7238-7266.

Wei F.-Y., Suzuki T., Watanabe S., Kimura S., Kaistuka T., Fujimura A., Matsui H., Atta M., Fontecave M., Yamagata K., Suzuki T., Tomizawa K., « Functional loss of Cdkal1, a novel enzyme for tRNA modification, causes the development of type 2 diabetes », J. Clin. Invest., 121, 2011, 3598-3608.

Andreiadis E.,Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., Artero V., « Artificial photosynthesis: from molecular catalysts for light-driven water splitting to photoelectrochemical cells »,Photochem. Photobiol., 87, 2011, 946-964.

Ozeir M., Mühlenhoff U., Lill R., Fontecave M., Pierrel F., « Coenzyme Q biosynthesis: Coq6 catalyzes the C5-hydroxylation reaction and substrate analogues rescue Coq6 deficiency », Chemistry and Biology, 18, 2011, 1134-1142.

Fontecave M., « Methylations: a radical mechanism »,Chemistry and Biology,18, 2011, 559-561.

Artero V., Fontecave M., « Light-Driven Bioinspired Water Splitting: Recent Developments in photoelectrode materials »,Comptes rendus de l’Académie des sciences, 14, 2011, 799-810.

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2012

Atta M., Arragain S., Fontecave M., Mulliez E., Hunt J.F., Luff J.D., Forouhar F., « The methylthiolation reaction mediated by the Radical-SAM enzymes », Biochem. Biophys. Acta, 2012 (sous presse).

Bhattacharjee A., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., Field M.J., Artero V., « Combined experimental – theoretical characterization of the hydrido-cobaloxime [HCo(dmgH)2(PnBu3)] »,Inorg. Chem., 51, 2012, 7087-93.

Zhang P., Jacques P.-A, Chavarot-Kerlidou M., Wang M., Sun L.,Fontecave M., Artero V., « Phosphine coordination to cobalt diimine-dioxime catalysts increases stability during light-driven H2 production »,Inorg. Chem., 51, 2012, 2115-2120.

Py B., Gerez C., Angelini S., Ollagnier-de-Choudens S., Vinella D., Loiseau L., Fontecave M., Barras F., « Molecular organisation, biochemical function, cellular role and evolution of NfuA, an atypical Fe-S carrier », Mol. Microbiol., 2012 (sous presse).

Tsaousis A.D., Gentekaki E., Ollagnier-de-Choudens S., Long S., Gaston D., Stechmann A., Fontecave M., Py B., Barras F., Lukeš J., Roger A.J., « Evolution of Fe-S cluster biogenesis in the anaerobic parasite Blastocystis », Proc. Natl. Acad. Sci., 109, 2012, 10426-31.

Cobo S., Heidkamp J., Jacques P.-A., Fize J., Fourmond V., Guetaz L., Jousselme B., Salazar R., Ivanova V., Dau H., Palacin S., Fontecave M., Artero V., « A Janus cobalt-based catalytic material for electro-splitting of water »,Nature Materials, 2012 (sous presse).

Xie L.X., Ozeir M., Tang J.Y., Chen J.Y., Kieffer-Jaquinod S., Fontecave M., Clarke C.F., Pierrel F., « Over-expression of the Coq8 kinase in Saccharomyces cerevisiae coq null mutants allows for accumulation of diagnostic intermediates of the Coenzyme Q6 biosynthetic pathway », J. Biol. Chem., 287, 2012, 23571-81.

Andreiadis E.S., Jacques P.-A., Tran P.D., Leyris A., Chavarot-Kerlidou M., Jousselme B., Matheron M., Pécaut J., Palacin S., Fontecave M., Artero V., « Molecular Engineering of a Cobalt-based Electrocatalytic Nano-Material for H2 Evolution under Pure Aqueous Conditions »,Nature Chemistry, 2012 (sous presse).

Perche-Letuvée P., Kathirvelu V., Berggren G., Clemancey M., Latour J.-M., Maurel V., Douki T., Armengaud J., Mulliez E., Fontecave M., Garcia-Serres  R., Gambarelli S., Atta M., « TYW1 from Pyrococcus abyssi is a Radical-SAM enzyme with an additional [4Fe-4S]+2 cluster which binds and activates pyruvate co-substrate »,J. Biol. Chem. (soumis).

Hamd W., Cobo S., Fize J., Baldinozzi G., Schwartz W., Reymermier M., Pereira A., Fontecave M., Artero V., Laberty-Robert C., Sanchez C., « Mesoporous a-Fe2O3 Thin Films Synthesized via the Sol-gel Process for Light-driven Water Oxidation »,Phys. Chem. Chem. Phys., 2012 (sous presse).

Conférences et séminaires invités (2011-2012)

Research Frontiers in Bioinspired Energy Workshop, Washington (6-7 janvier 2011) : « Bioinspired chemistry and hydrogen: from hydrogenases to nano-(photo)electrocatalysts ».

Gordon Research Seminar: Renewable energy, solar fuels, Ventura, États-Unis (15-16 janvier 2011) : « Water splitting with cobalt ».

Collège de France, Paris, 26 janvier 2011 : « Quelles énergies pour demain ? »

Conférence Géosciences « Quelles énergies pour le xxie siècle », Museum d’Histoire naturelle, Paris (1er février 2011) : « Des carburants à partir du soleil et de l’eau : la photosynthèse artificielle ».

Académie de Versailles, Orsay (2 février 2011) : « Chimie et biologie ; quelles (nouvelles) frontières ? »

Forum Horizon chimie 2011, Maison de la Chimie, Paris (3 février 2011) : « Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

University of Uppsala, Department of Photochemistry and Molecular Science, Uppsala, Suède (23 février 2011) : « From enzymes to catalysts: new electrode materials for fuel cells and photoelectrolyzers ».

Biomedical Center, Université d’Uppsala, Suède (24 février 2011) : « Bioinorganic Chemistry, an introduction » (Student Lecture).

Biomedical Center, Université d’Uppsala, Suède (24 février 2011) : « Iron sulfur clusters and radical biocatalysis : modification of biological macromolecules ».

Université de Stockholm, Dept. of Molecular Biology & Functional Genomics (28 février 2011) : « Iron sulfur clusters and radical biocatalysis : modification of biological macromolecules ».

Royal Institute of Technology, Stockholm (1er mars 2011) : « From enzymes to catalysts : new electrode materials for fuel cells and photoelectrolyzers ».

Académie Hassan II des sciences et techniques, Rabat, Maroc (15-17 mars 2011) : « From sun and water to hydrogen: new (photo)catalysts for electrolyzers and fuel cells ».

Journée « ChimInnov », CEA-Grenoble (19 avril 2011) : « La chimie bioinorganique : métaux et métalloprotéines ».

Société française de physique, Lyon (20 avril 2011) : « Transfert de radicaux dans les systèmes biologiques ».

Journées de l’Institut de biologie, Collège de France, Paris (16-17 mai 2011) : « Artificial photosynthesis : from enzymes to nanocatalysts ».

Université de tous les savoirs, Paris (25 mai 2011) : « Chimie et défis énergétiques du 21ème siècle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

Colloque « L’énergie : enjeux socio-économiques et défis technologiques», Collège de France, Paris (6-7 juin 2011) : « Artificial photosynthesis: from basic concepts to recent developments ».

France-Japan Joint Forum on Chemistry of Functional Organic Chemicals, Strasbourg (23-25 juin 2011) : « Lessons from Nature: highly selective radical-based chemistry in metabolic and biosynthetic pathways ».

France Japan Coordination Chemistry Symposium, Rennes (29 juin-2 juillet 2011) : « Bioinspired chemistry: from hydrogenases to catalysts for H2 production ».

International Conference on BioInorganic Chemistry ICBIC 15, Vancouver, Canada (7-12 août 2011) : « Radical-SAM iron-sulfur enzymes: tRNA and protein modifications ».

Colloque Entre-Sciences, Paris (15-16 septembre 2011) : « Catalyse bio-inspirée et photosynthèse artificielle ».

Colloque de rentrée de l’ENS, Collège de France (22 septembre 2011) : « Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

Conférence PCET 2011 « From Biology to catalysis », Chaveingnes, Vallée de la Loire, (9-13 octobre 2011) : « C-H to C-S bond conversion in biology: a radical mechanism ».

Conférence Fête de la science à l’Académie des sciences (13 octobre 2011) : « Les défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

Journée « Année internationale de la Chimie », Sanofi-Aventis, Chilly-Mazarin (18 octobre 2011) : « Chimie à l’interface de la biologie : histoire et perspectives ».

Conférence Solvay, Bruxelles (25 octobre 2011) : « Bioinspired chemistry and artificial photosynthesis: from hydrogenases to catalysts for water splitting and hydrogen production ».

Conférences « Littérascience », Espace Pierre-Gilles de Gennes, Paris (21 novembre 2011) : « La chimie des Processus Biologiques, une introduction ».

11th ISABC (International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry, Barcelone, Espagne (2-5 décembre 2011) : « From metalloenzymes to bioinspired catalyst: towards new energy conversion systems ».

Université des sciences techniques et économiques, Budapest, Hongrie (6 décembre 2011) : « Bioinspired chemistry and hydrogen: from hydrogenases to novel nanocatalysts ».

Institut français, Budapest, Hongrie (7 décembre 2011) : « Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir de l’eau et du soleil ».

Institut de chimie de Rennes (5 janvier 2012) : « Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

Conférence Chimie Paris-Tech (10 janvier 2012) : « La photosynthèse artificielle : des carburants à partir d’eau et de soleil ».

Colloque « Chimie et Nature », Maison de la chimie, Paris (25 janvier 2012) : « À la frontière de la chimie et de la biologie : biocatalyse et catalyse bio-inspirée ».

Conférence pour l’école de l’INSERM Liliane Bettencourt, Centre international d’études pédagogiques, Sèvres (1er février 2012) : « De l’ARN à l’ADN : une histoire “radicale” de l’évolution ».

Faculté des sciences de l’Université el Manar, Tunis, Tunisie (23 février 2011) : « Bioinspired chemistry and hydrogen: from hydrogenases to novel nanocatalysts ».

Cité des sciences, Tunis, Tunisie (24 février 2011) : « Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : des carburants à partir de l’eau et du soleil ».

RECOB 14, Aussois (18-22 mars 2012) : « Biocatalyse radicalaire et modification sélective des protéines et des ARNs de transfert ».

Symposium « Perspectives en chimie moléculaire », Grenoble (26 avril 2012) : « Des hydrogénases aux nanocatalyseurs pour l’hydrogène ».

Société chimique de France, Lyon (8 juin 2012) : « Chimie bio-inspirée et hydrogène : des hydrogénases aux nanocatalyseurs bio-inspirés ».

Gordon Research Conference « Iron-Sulfur Enzymes » à South Hadley, États-Unis (10-15 juin 2012) : « Radical substrate activation with two iron-sulfur clusters ».

International Symposium in Homogeneous Catalysis 18, Toulouse (8-13 juillet 2012) : « From metalloenzymes to catalysts : the case of hydrogenases ».

Colloque « De la recherche à l’enseignement », Chimie Paris-Tech, Paris (8 septembre 2012) : « Chimie bio-inspirée et photosynthèse artificielle: des hydrogénases aux catalyseurs de production/oxydation d’hydrogène ».

Symposium – Médaille d’Argent d’Ivan Huc, Bordeaux (27 septembre 2012) : « Lessons from Nature: highly selective radical-based chemistry in metabolic and biosynthetic pathways ».

Conférence Jean Perrin, 13es journées francophones des jeunes physico-chimistes, Dinard, 16 octobre 2012 : « Fer et Soufre, un mélange bioinorganique radical ».

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Notes

1  Cf. Kovaleva E.G. & Lipscomb J.D., « Versatility of biological non-heme Fe(II) centers in oxygen activation reactions », Nature Chem. Biol., 4, 2008, 186-193.

2  Cf. Cavazza C., Bochot C., Rousselot-Pailley P., Carpentier P., Cherrier M.V., Martin L., Marchi-Delapierre C., Fontecilla-Camps J.C. et Ménage S., Nature Chemistry, 2, 2010, 1069‑1076.

3  Cf. O’Regan B.et Grätzel M., Nature, 335, 1991, 7377 ; Bach U., Lupo D., Comte P., Moser J.E., Weissörtel F., Salbeck J., Spreitzert H.et Grätzel M., Nature, 395, 1998, 550 ; Grätzel M. Nature, 414, 2001, 338.

4  Grätzel M., Acc. Chem. Res., 42(11), 2009, 1788-1798.

5  Grätzel M., L’actualité chimique, 308/309, 2007, 57-60.

6   Références : Al-Mourabit A., « Quand les chimistes imitent la nature », Pour la science, 73, 2011, 80-84 ; Tian H., Ermolenko L., Gabant M., Vergne C., Moriou C., Retailleau P. et Al-Mourabit A., « Pyrrole-assisted and easy oxidation of cyclic α-amino acid derived diketopiperazines under mild conditions », Advanced Synthesis and Catalysis, 353, 2011, 1525–1533 ; Appenzeller J. et Al-Mourabit A., « Biomimetic synthesis of marine pyrrole-2-aminoimidazole and guanidinium alkaloids », Biomimetic Organic Chemistry, 2011 ;Teranishi K., « Luminescence of imidazo[1,2-a]pyrazin-3(7H)-one compounds », Bioorganic Chemistry, 35, 2007, 82-111.

7  Quelques références récentes : Bistri O., Colasson B. et Reinaud O., « Recognition of Primary Amines in Water by a Zinc Funnel Complex Based on Calix[6]arene » , Chem. Sci., 3, 2012, 811-818 ; Benoit Colasson, Le Poul N., Le Mest Y. et Reinaud O.,« Electrochemically Triggered Double Translocation of Two Different Metal Ions With a Ditopic Calix[6]arene Ligand », J. Am. Chem. Soc., 132, 2010, 4393-4398 ; Le Poul N., Douziech B., Zeitouny J., Thiabaud G., Colas H., Conan F., Cosquer N., Jabin I., Lagrost C., Hapiot P., Reinaud O. et Le Mest Y.,« Mimicking the Protein Access Channel to a Metal Center: Effect of a Funnel-Complex on Dissociative vs Associative Copper Redox Chemistry », J. Am. Chem. Soc., 131, 2009, 17800-17807 ; Thiabaud G., Guillemot G., Schmitz-Afonso I., Colasson B., Reinaud O., « Solid State Chemistry at an Isolated Cu(I) Center with O2 », Angew. Chem. Int. Ed., 48,  2009, 7383-7386 ; Coquière D., Le Gac S., Darbost U., Sénèque O., Jabin I., Reinaud O., « Perspective: Biomimetic and self-assembled calix[6]arene-based receptors for neutral molecules », Org. Biomol. Chem., 7, 2009, 2485-2500.

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12  Py B., Gerez C., Angelini S., Ollagnier-de-Choudens S., Vinella D., Loiseau L., Fontecave M., Barras F., Mol. Microbiol., 2012 (sous presse).

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17  Andreiadis E., Chavarot-Kerlidou M., Fontecave M., Artero V., Photochem. Photobiol., 87, 2011, 946-964 ; Artero V., Fontecave M., Comptes rendus de l’Académie des sciences, 14, 2011, 799-810 ; Zhang P., Jacques P.-A, Chavarot-Kerlidou M., Wang M., Sun L.,Fontecave M., Artero V., Inorg. Chem., 51, 2012, 2115-2120.

18  Hamd W., Cobo S., Fize J., Baldinozzi G., Schwartz W., Reymermier M., Pereira A., Fontecave M., Artero V., Laberty-Robert C., Sanchez C., Phys. Chem. Chem. Phys., 2012 (sous presse).

19  Cobo S., Heidkamp J., Jacques P.-A., Fize J., Fourmond V., Guetaz L., Jousselme B., Salazar R., Ivanova V., Dau H., Palacin S., Fontecave M., Artero V., Nature Materials, 2012 (sous presse).

20  Ozeir M., Mühlenhoff U., Lill R., Fontecave M., Pierrel F., Chemistry and Biology, 18, 2011, 1134-1142.

21  Xie L.X., Ozeir M., Tang J.Y., Chen J.Y., Kieffer-Jaquinod S., Fontecave M., Clarke C.F., Pierrel F., J. Biol. Chem., 287, 2012, 23571-81.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Mécanisme général des enzymes « Radical-SAM »
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-1.jpg
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Titre Figure 2 : Méthylthiolation d’un ARNt par l’enzyme MtaB
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 52k
Titre Figure 3 : Maturation d’une protéine fer-soufre par NfuA
Légende Le cluster passe du domaine de fixation des métaux (hexagone) de NfuA à la cible grâce à une interaction spécifique impliquant un domaine protéique de NfuA (losange)
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 48k
Titre Figure 4 : Quelques catalyseurs bio-inspirés
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 76k
Titre Figure 5 : Catalyseurs de réduction de l’eau en hydrogène à base de cobalt
Légende La diimine dioxime de cobalt peut être greffée sur des nanotubes de carbone
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 52k
Titre Figure 6 : Biosynthèse de l’ubiquinone
URL http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/docannexe/image/992/img-6.jpg
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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 112e année, Collège de France, Paris, avril 2013, p. 221-240. ISBN 978-2-7226-0198-7

Référence électronique

Marc Fontecave, « Chimie des processus biologiques », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 112 | 2013, mis en ligne le 22 novembre 2013, consulté le 23 février 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/992

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Auteur

Marc Fontecave

Professeur au Collège de France

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Droits d’auteur

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