Les scientifiques ont conçu une enzyme pour briser les liaisons silicium-carbone dans les siloxanes, marquant une étape importante vers la biodégradabilité de ces produits chimiques répandus et persistants dans l’environnement. Cette innovation, issue d’une évolution dirigée, ouvre la voie à une gestion plus efficace des déchets silicones. Ci-dessus, une représentation artistique d’une enzyme évoluée artificiellement rompant une liaison silicium-carbone. Crédit : Caltech/Dow
Les scientifiques ont réussi à concevoir une enzyme capable de briser les liaisons artificielles tenaces entre le silicium et le carbone qui existent dans les produits chimiques largement utilisés appelés siloxanes ou silicones. Cette percée marque une première étape vers la biodégradabilité de ces produits chimiques environnementaux persistants.
« La nature est une chimiste extraordinaire, et son répertoire comprend désormais la rupture des liaisons dans les siloxanes, que l’on croyait auparavant capables d’échapper aux attaques des organismes vivants », déclare Frances Arnold, professeur Linus Pauling de génie chimique, de bioingénierie et de biochimie à Caltech et lauréate du prix Nobel 2018. en chimie pour ses travaux pionniers sur l’évolution dirigée, une méthode de conception d’enzymes et d’autres protéines utilisant les principes de la sélection artificielle. Arnold et ses collègues, dont Dimitris (Dimi) Katsoulis de Dow Inc., basée au Michigan, ont utilisé l’évolution dirigée pour créer la nouvelle enzyme de clivage des liaisons silicium-carbone. Les résultats sont publiés dans le numéro du 26 janvier de la revue Science.
Les chercheurs affirment que même si les utilisations pratiques de leur enzyme artificielle pourraient encore prendre une décennie ou plus, son développement ouvre la possibilité que les siloxanes puissent un jour être dégradés biologiquement. « Par exemple, des organismes naturels pourraient évoluer dans des environnements riches en siloxane pour catalyser une réaction similaire, ou des versions encore améliorées d’enzymes développées en laboratoire, comme celle-ci, pourraient éventuellement être utilisées pour traiter les contaminants siloxanes dans les eaux usées », explique Arnold.
Katsoulis explique que la nature n’utilise pas de silicium–obligations carbone, « mais nous ce que nous faisons et ce, depuis environ 80 ans. La nature volatile de certains de ces composés justifie des recherches en matière de santé et d’environnement pour bien comprendre les mécanismes de dégradation de ces matériaux dans l’environnement.
Les silicones dans les produits du quotidien
Les produits chimiques siloxanes peuvent être trouvés dans d’innombrables produits, notamment ceux utilisés dans les secteurs de l’entretien ménager, des soins personnels et des industries de l’automobile, de la construction, de l’électronique et de l’aérospatiale. Le squelette chimique des composés est constitué de silicium–des liaisons oxygène, tandis que des groupes contenant du carbone, souvent méthyle, sont attachés aux atomes de silicium. «Le squelette silicium-oxygène confère au polymère un caractère inorganique, tandis que les groupes silicium-méthyle confèrent au polymère des caractéristiques organiques. Ainsi, ces polymères ont des propriétés matérielles uniques, telles qu’une stabilité thermique et oxydative élevée, une faible tension superficielle et une flexibilité élevée du squelette, entre autres », explique Katsoulis.
On pense que les siloxanes persistent dans l’environnement pendant des jours, voire des mois. C’est pourquoi les recherches en cours visent à fournir une meilleure compréhension scientifique de la sécurité sanitaire et environnementale des matériaux à base de silicone. Les produits chimiques commencent naturellement à se fragmenter en morceaux plus petits, en particulier dans le sol ou dans les environnements aquatiques, et ces fragments deviennent volatils ou s’échappent dans l’air, où ils subissent une dégradation en réagissant avec les radicaux libres présents dans l’atmosphère. De toutes les liaisons des siloxanes, le silicium–les liaisons carbone sont les plus lentes à se décomposer.
Katsoulis a contacté Arnold pour collaborer aux efforts visant à accélérer la dégradation du siloxane après avoir pris connaissance des travaux de son laboratoire visant à inciter la nature à produire du silicium.–liaisons carbone. En 2016, Arnold et ses collègues ont utilisé l’évolution dirigée pour concevoir une protéine bactérienne appelée cytochrome. c former du silicium–liaisons carbone, un processus qui ne se produit pas dans la nature. « Nous avons décidé de faire en sorte que la nature fasse ce que seuls les chimistes peuvent faire, mais en mieux », a déclaré Arnold dans un communiqué de presse de Caltech. La recherche a démontré que la biologie pouvait établir ces liaisons de manière plus respectueuse de l’environnement que celles traditionnellement utilisées par les chimistes.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs voulaient trouver des moyens de briser les liens plutôt que de les créer. Les scientifiques ont utilisé l’évolution dirigée pour développer une enzyme bactérienne appelée cytochrome P450. L’évolution dirigée est similaire à celle des chiens ou des chevaux reproducteurs dans la mesure où le processus est conçu pour faire ressortir les traits souhaités. Les chercheurs ont d’abord identifié une variante du cytochrome P450 dans leur collection d’enzymes qui avait une très faible capacité à briser le silicium.–liaisons carbone dans les méthylsiloxanes volatils dits linéaires et cycliques, un sous-groupe commun de la famille des siloxanes.
Surmonter les obstacles dans l’évolution des enzymes
Ils ont muté le ADN du cytochrome P450 et testé les nouvelles enzymes variantes. Les plus performants ont ensuite été à nouveau mutés et les tests ont été répétés jusqu’à ce que l’enzyme soit suffisamment active pour permettre aux chercheurs d’identifier les produits de la réaction et d’étudier le mécanisme par lequel l’enzyme fonctionne.
« L’évolution des enzymes pour rompre ces liaisons dans les siloxanes présentait des obstacles uniques. Avec une évolution dirigée, nous devons évaluer des centaines de nouvelles enzymes en parallèle pour identifier quelques variantes enzymatiques ayant une activité améliorée », explique Tyler Fulton (PhD ’22), co-auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral à Caltech dans le laboratoire d’Arnold. L’un des défis impliquait les molécules de siloxane qui lixiviaient les composants en plastique des plaques à 96 puits utilisées pour cribler les variantes. Pour résoudre le problème, l’équipe a créé de nouvelles plaques fabriquées à partir de fournitures de laboratoire courantes.
« Un autre défi consistait à trouver l’enzyme de départ pour le processus d’évolution dirigée, une enzyme possédant ne serait-ce qu’une infime quantité de l’activité souhaitée », explique Arnold. « Nous l’avons trouvé dans notre collection unique de cytochromes P450 développés en laboratoire pour d’autres types de chimie du silicium nouvelle dans la nature. »
L’enzyme améliorée finale ne coupe pas directement la liaison silicium-carbone, mais oxyde plutôt un groupe méthyle dans les siloxanes en deux étapes séquentielles. Fondamentalement, cela signifie que deux carbone–les liaisons hydrogène sont remplacées par du carbone–liaisons oxygène, et ce changement permet à la liaison silicium-carbone de se rompre plus facilement.
La recherche établit des parallèles avec des études impliquant une enzyme mangeuse de plastique, explique Fulton, faisant référence à un Enzyme dégradant le polyéthylène téréphtalate (PET) découvert dans les bactéries Idéonella sakaiensis en 2016 par un autre groupe de chercheurs. « Même si l’enzyme de dégradation du PET a été découverte par la nature plutôt que par les ingénieurs, cette enzyme a inspiré d’autres innovations qui se concrétisent enfin pour la dégradation du plastique. Nous espérons que cette démonstration inspirera également d’autres travaux visant à décomposer les composés siloxanes », dit-il.
La recherche a été financée par la Dow’s University Partnership Initiative et la National Science Foundation. Parmi les autres auteurs de Caltech figurent le co-auteur principal Nicholas Sarai (PhD ’23), ainsi que l’étudiant diplômé Ryen L. O’Meara, Kadina E. Johnston (PhD ’23) et la responsable du laboratoire Arnold, Sabine Brinkmann-Chen. Parmi les autres auteurs de Dow figurent Ryan R. Maar, Ron E. Tecklenburg, John M. Roberts et Jordan CT Reddel.
