Toute vie sur Terre dépend des enzymes – des protéines naturelles – qui agissent comme des catalyseurs pour accélérer les réactions chimiques et maintenir les processus biologiques.
La formation de liaisons en nitrogène en carbone est parmi les processus dépendants du catalytique nécessaire pour permettre le cycle de l'azote à travers les écosystèmes et la formation constante de structures complexes qui soutiennent la vie végétale et animale.
Souvent, cependant, Mère Nature a besoin d'un coup de pouce et des catalyseurs synthétiques fabriqués par l'homme complétent la demande mondiale insatiable de production alimentaire, énergétique et pharmaceutique. Un défi clé à cette entreprise est de développer des catalyseurs capables de rendre les liaisons chimiques nécessaires à ces processus dans les méthodes les plus éconergétiques et les plus respectueuses de l'environnement possible.
« Les catalyseurs à base de cuivre, créés à l'aide de composants facilement disponibles, ont été étudiés à cette fin au cours de la dernière décennie, mais la réussite de cette catalyse basée sur le cuivre dans les enzymes reste insaisissable », explique le chimiste de l'Université d'État d'État Yi Rao.
« Notre groupe de recherche, avec nos collaborateurs, présente une approche photobiocatalytique qui contourne la nécessité de combustibles fossiles, en utilisant une enzyme non hématique substituée en cuivre. »
Rao et Jesse Brown de l'État de l'Utah, ainsi que les collègues Xuzhong Shen, auteur principal; Xiongyi Huang, auteur principal correspondant; James Zhang, Xinyuan Ji et Jinyan Rui de l'Université Johns Hopkins, ainsi que des collaborateurs de l'Université chinoise de la technologie et de l'Université d'Espagne de Générat, détaillez cette approche dans la revue Science.
Shen dit qu'un aspect passionnant de l'étude est de remplacer le centre de fer, originaire de cette enzyme, par du cuivre.
« En effectuant cette chirurgie de niveau à atomes uniques, nous pouvons préserver la polyvalence de l'échafaudage des protéines, tout en transformant complètement son profil de réactivité chimique », dit-il.
RUI dit que cette étape est particulièrement importante car les enzymes en fer non hématique sont beaucoup plus diverses et moteur que les enzymes naturelles à base de cuivre.
« Notre approche pourrait potentiellement convertir des milliers d'enzymes de fer non hématiques en biocatalyseurs à base de cuivre », dit-elle.
Rao, professeur agrégé du département de chimie et de biochimie de l'USU, dit que l'équipe essaie toujours de comprendre «pourquoi» des réactions chimiques et comment ces réactions jouent un rôle dans la photocatalyse.
« Notre objectif est d'imiter la nature et de favoriser le développement de nouveaux produits pharmaceutiques basés sur la nature », explique Rao.
Rao dit que plus de 80% des produits pharmaceutiques couramment utilisés, notamment des antibiotiques, des antiviraux, des statines et des antiacides, nécessitent la formation d'au moins une liaison CN pendant la production.
« En développant un catalyseur plus durable et économe en énergie pour la formation de liaisons CN, nous favorisons une production plus économe en énergie et plus efficace de produits pharmaceutiques vitaux », dit-il, dans de nombreux composés biologiquement actifs.
