[Expired] Proposition de Thèse au laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines, à l’interface Biologie/Physicochimie

Réduction de l’oxygène par des enzymes extrémophiles : application aux biopiles à combustible.

Descriptif du projet :

Les biopiles à combustible sont une alternative aux énergies fossiles pour la production d’électricité « propre ». Il est ainsi possible en remplaçant les catalyseurs chimiques par des enzymes efficaces, spécifiques biodégradables et biodisponibles de générer des puissances compatibles avec l’alimentation de divers systèmes électroniques. Les bioanodes utilisent généralement l’hydrogène ou le glucose comme fuel, alors que la biocathode fonctionne à l’oxygène ou à l’air. Dans le premier cas, les applications ciblées concernent l’électronique portable, alors que dans le second cas, la biopile est destinée à être implantée pour l’alimentation d’appareils médicaux. Nous avons développé au laboratoire une biopile utilisant des enzymes thermostables permettant une augmentation notable des performances de la biopile. Néanmoins, les enzymes utilisées à la biocathode sont des enzymes multicuivre (bilirubin oxydase en particulier) de faible affinité pour O2 ce qui limite son fonctionnement, en particulier en vue de l’implantation de la biopile. Or dans les microorganismes, la réduction de O2 est réalisée par les cytochromes oxidase qui ont des affinités pour O2 de deux ordres de grandeur plus élevées. Néanmoins, beaucoup de ces enzymes réduisent O2 à de faibles potentiels, limitant la puissance de la biopile. Un des enjeux actuels est donc de trouver dans la biodiversité des enzymes de haut potentiel, stables et affines pour O2. Dans le cadre du projet de thèse, nous étudierons une cytochrome oxidase issue d’un organisme acidophile qui possède toutes les propriétés nécessaires au développement d’une biocathode efficace. Cette cytochrome oxidase appartient à un supercomplexe respiratoire qui met en jeu des métalloprotéines qui stabilisent et améliorent l’efficacité du transfert électronique. L’étude de cette enzyme et de ses partenaires devrait ainsi permettre d’optimiser les performances de la biopile. Une approche ambitieuse associant des compétences en biochimie et physicochimie permettra de décrypter les bases moléculaires qui régissent les interactions entre l’enzyme d’intérêt, son substrat et ses partenaires. Des études de modélisation moléculaire, couplées à des approches biochimiques et des expériences de marquage de spin couplées à différentes méthodes très novatrices de physicochimie apporteront des informations structurales et dynamiques essentielles entre les protéines du complexe pour une optimisation du transfert d’électrons. Tout ou partie de la chaine de transfert d’électron ainsi caractérisée sera reconstituée sur une interface électrochimique. Le couplage entre électrochimie et des méthodes de spectroscopie de surface permettra de relier l’efficacité du transfert d’électron à l’organisation du complexe à l’électrode. Finalement, l’électrode sera fonctionnalisée chimiquement (monocouches auto assemblées, bicouches lipidiques en particulier), pour mimer l’interaction physiologique et permettre une réduction enzymatique stable et efficace de l’oxygène.

Profil :

Le doctorant sera amené à travailler sur des métalloprotéines afin de décrypter les relations fines structure/fonction/interface de contact, pour à terme une optimisation de la biopile à combustible. Le sujet proposé est définitivement à l’interface chimie/biologie et pourra être pris en charge par un physicochimiste curieux d’élargir ses compétences en biologie.

Contexte de l’étude :

Les biopiles à combustible sont développées dans l’objectif de production d’électricité renouvelable. La preuve de concept est validée, il s’agit maintenant d’en augmenter les performances. Les enzymes issues de la biodiversité sont à ce titre essentielles car elles permettent de lever les verrous liés à la faible activité et/ou affinité et stabilité des enzymes extraites de microorganismes usuels.

Contact

Laboratoire : Bioénergétique et Ingénierie des Protéines, BIP-UMR7281
Personnes à contacter : Elisabeth Lojou ou Marianne Ilbert
Courriel : ou
Téléphone : 04 91 16 45 24

Références bibliographiques :

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