[Journal Club] Quand l’oxygène empêche de produire de l’énergie

La dégradation par l’oxygène des hydrogénases, enzymes qui produisent du dihydrogène, prive les biotechnologies de catalyseurs performants. Comprendre les mécanismes qui conduisent à cette dégradation, c’est l’objectif des chercheurs du Laboratoire de bioénergétique et ingénierie des protéines (CNRS/AMU), de biochimistes toulousains (INSA), parisiens (CEA), et de chimistes théoriciens européens et américains. Ils sont parvenus à caractériser chacune des étapes de la réaction complexe qui mène à destruction de l’enzyme par l’oxygène. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Nature Chemistry.

Les hydrogénases sont des enzymes que l’on trouve dans les microorganismes qui catalysent la aconversion des protons H+ en dihydrogène H2, avec des performances rivalisant celles du platine. Elles pourraient remplacer ce dernier dans les piles à combustible ou d’autres dispositifs biotechnologiques. Le site actif qui catalyse cette réaction peut contenir comme ions métalliques du fer et du nickel, ou bien seulement du fer. Les hydrogénases à base de fer sont connues pour être les plus actives pour la production du dihydrogène. Leur site actif Fe6CO3CN2(azadithiolate) est enfoui à l’intérieur d’une protéine de grande taille. Il était bien établi que l’oxygène endommage cette enzyme après s’être fixé au niveau du site actif à la place du dihydrogène, mais les études du mécanisme de la réaction conduisant à la dégradation de l’enzyme avaient donné lieu à des résultats expérimentaux partiels et contradictoires.

Pour résoudre cette énigme, les chercheurs du Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines ont dû combiner expériences et calculs théoriques. A l’aide de méthodes électrochimiques, ils ont mesuré avec précision les vitesses des différentes étapes de la réaction de production de dihydrogène et parallèlement, de dégradation de l’enzyme par l’oxygène. Ils ont ensuite pu relier ces vitesses à tous les paramètres expérimentaux : potentiel d’électrode, pH, échange H2O/D2O, et mutations de certains acides aminés de la protéine… Ces résultats ont été interprétés à la lumière d’études théoriques menées en parallèle : calculs de dynamique moléculaire pour prédire les chemins privilégiés et les vitesses de diffusion de l’oxygène à l’intérieur de l’enzyme, et calculs de type Fonctionnelle de densité; pour évaluer les produits de réactions et certaines constantes de vitesse de la réaction. Les résultats expérimentaux d’une grande précision ont pu démontrer le caractère prédictif de ces calculs.

Cette étude a permis de caractériser sans ambiguité les réactions complexes qui se produisent dans ces systèmes biologiques de très grande taille, sans avoir recours à la méthode habituelle contraignante puisqu’elle consistait à isoler des intermédiaires de la réaction et les caractériser, un par un, à posteriori, par des techniques spectroscopiques ou structurales. Une étape indispensable pour espérer un jour prévenir le processus pour une production efficace de dihydrogène.

MD “PULLING” EXPERIMENT SHOWING O2 ACCESS TO THE H-CLUSTER OF FEFE HYDROGENASE

DFT CALCULATION SHOWING O2 REDUCTION AT THE H-CLUSTER OF FEFE HYDROGENASE

o2_reduction

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Référence

  • Adam Kubas, Christophe Orain, David De Sancho, Laure Saujet, Matteo Sensi, Mr. Charles Gauquelin, Isabelle Meynial-Salles, Philippe Soucaille, Herve Bottin, Carole Baffert, Vincent Fourmond, Robert Best, Jochen Blumberger, Christophe Léger “Mechanism of O2 diffusion and reduction in FeFe hydrogenase” Nature Chemistry, August 22nd (2016) doi:10.1038/nchem.2592
  • C Orain, L Saujet, C Gauquelin, P Soucaille, I Meynial-Salles, C Baffert, V Fourmond, H Bottin, and C Léger “Electrochemical measurements of the kinetics of inhibition of two FeFe hydrogenases by O2 demonstrate that the reaction is partly reversible” J. Am. Chem. Soc. 137, 12580-12587 (2015) DOI: 10.1021/jacs.5b06934

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