Des chercheurs de l'Institut de biotechnologie de Manchester (MIB) ont démontré comment les enzymes génétiquement modifiées peuvent exploiter la lumière visible pour entraîner des réactions chimiques hautement sélectives.
Cette percée pourrait conduire à des moyens plus propres et plus efficaces de fabriquer des médicaments et d'autres produits chimiques importants, tout en réduisant le besoin de produits chimiques durs et de la lumière ultraviolette (UV) nocive.
La découverte, qui représente une étape majeure dans le domaine de la photocatalyse – en utilisant la lumière pour stimuler les réactions chimiques – explique comment la biologie et la chimie peuvent fonctionner main dans la main pour débloquer de nouvelles possibilités pour une fabrication plus sûre et plus verte.
Échange des UV nocifs pour la lumière visible quotidienne
De nombreux processus chimiques axés sur la lumière reposent sur la lumière UV et les aides chimiques appelées «sensibilisateurs», qui absorbent la lumière et transfèrent l'énergie vers les autres molécules pour générer la réaction. Des recherches antérieures de la MIB avaient sélectivement introduit des sensibilisation aux UV en protéines qui ont abouti à des photoenzymes plus efficaces, sélectives et polyvalentes que les sensibilisateurs traditionnels de petites molécules.
Cependant, ces photoenzymes axés sur les UV ont des inconvénients: ils souffrent d'une faible efficacité photochimique, peuvent endommager les molécules délicates et produisent souvent des sous-produits indésirables, limitant ainsi la portée des réactions possibles.
Pour résoudre ces problèmes, le Dr Rebecca Crawshaw et le Dr Ross Smithson, qui font partie du groupe vert, dirigé par le professeur Anthony Green, enzymes conçues qui contiennent un type différent de molécule absorbant la lumière appelée thioxanthone.
Contrairement aux sensibilisateurs plus anciens, le thioxanthone fonctionne avec une lumière visible, ce qui rend le système non seulement plus efficace mais aussi plus respectueux de l'environnement et compatible avec les conditions d'éclairage industriel. Les résultats sont publiés dans la revue Chimie de la nature.
Amélioration de l'efficacité d'une conception inspirée de la nature
En incorporant ces sensibilisateurs de thioxanthone directement dans les enzymes, les scientifiques ont créé de nouveaux « photoenzymes » qui peuvent effectuer des réactions lumineuses avec une vitesse et une précision remarquables.
L'une de ces enzymes, nommée Vent1.3, a pu produire son produit chimique cible avec une efficacité significativement améliorée, compliquant plus de 1 300 cycles de réaction et le faisant avec un contrôle précis de la disposition des atomes. Ce niveau de contrôle est particulièrement important lors de la fabrication des produits pharmaceutiques, où la forme 3D d'une molécule peut faire la différence entre un médicament vital et une substance inefficace ou nocive.
Les nouvelles photoenzymes ouvrent également de nouvelles voies de fabrication car elles peuvent réaliser des réactions chimiques qui seraient difficiles, voire impossibles, à faire en utilisant des méthodes chimiques traditionnelles. Par exemple, l'équipe a développé une deuxième enzyme, appelée désespoir1.3, qui peut construire des molécules complexes en forme de cycle appelé β-lactames spirocycliques. Ce sont des éléments de construction importants pour les médicaments et autres produits chimiques de grande valeur.
« Nous avons démontré qu'il est possible d'exploiter la lumière visible en toute sécurité pour alimenter les réactions chimiques difficiles en utilisant des photoenzymes sur mesure. Cette approche a le potentiel de transformer la façon dont nous fabriquons des produits chimiques essentiels – en réduisant les déchets, en réduisant la consommation d'énergie et en permettant aux Dr Crawshaw plus sûrs et plus durables pour tout, des produits pharmaceutiques aux matériaux avancés », a déclaré le Dr Crawshaw.
De plus, les photoenzymes peuvent également supprimer les voies de décomposition indésirables qui affligent généralement la photocatalyse de petite molécule. Ces résultats mettent en évidence la capacité unique des enzymes modifiées pour régir le sort des intermédiaires réactifs avec un niveau de contrôle qui reste hors de portée pour les catalyseurs conventionnels.
Un avenir plus vert pour la fabrication chimique
Le succès de cette approche de codage génétique souligne le potentiel plus large de l'utilisation d'enzymes modifiées comme plate-forme flexible pour la photocatalyse à la lumière visible. En élargissant le code génétique pour incorporer de nouveaux sensibilisateurs comme le thioxanthone, les chercheurs peuvent affiner les échafaudages de photoenzyme pour un large éventail de réactions – alléviant de nombreuses limitations imposées par des photocatalyseurs plus traditionnels.
La recherche met également en évidence le pouvoir de combiner la science de pointe à partir de différents domaines – génie génétique, chimie et biologie – pour résoudre des problèmes pratiques. En élargissant la «boîte à outils» génétique que les scientifiques utilisent pour construire des enzymes, l'équipe peut concevoir ces catalyseurs biologiques pour faire exactement ce qui est nécessaire, au bon endroit, au bon moment.
De telles avancées pourraient finalement faciliter la conception de systèmes enzymatiques capables d'effectuer des transformations photochimiques complexes avec une précision et une efficacité inégalées – des secteurs avantageux allant des produits pharmaceutiques et des produits agrochimiques à la science des matériaux et au-delà.
