Notre groupe s'intéresse à la synthèse de l'hydrogène moléculaire par les hydrogénases à Fer, ainsi qu'au transfert d'électrons dans un centre réactionnel photosynthétique (photosystème I) et aux hydrogénases. Nous utilisons des techniques telles que l'expression hétérologue et la mutagenèse des hydrogénases d'algues, l'enzymologie, la spectroscopie. Nous étudions également les processus d'oxydoréduction mettant en jeu la ferrédoxine-NADP+-réductase et les autres enzymes impliquées pour comprendre la régulation des flux d'électrons associés afin de les manipuler pour la production d'hydrogène. Dans une approche complémentaire, nous développons des photocatalyseurs artificiels pour induire la photodissociation de l'eau et la production d'hydrogène. Ces molécules sont synthétisées à partir de complexes de Ruthénium comme photodétecteurs reliés à des centres métalliques comme sites catalytiques. Ils sont caractérisés par des méthodes spectroscopiques en temps résolu.
Responsable
Winfried LEIBL
winfried.leibl@cea.fr
Photoproduction d'hydrogène
Les recherches portant sur la photoproduction d’hydrogène à partir de l'eau suivent deux directions principales : d’une part l’étude enzymologique d’hydrogénases isolées d’organismes photosynthétiques (éventuellement modifiés génétiquement), d’autre part l’utilisation de molécules artificielles biomimétiques ayant des propriétés photocatalytiques. Certaines algues vertes synthétisent des hydrogénases à fer qui catalysent la réaction : 2H+ + 2e– --- H2. Dans cette réaction, les électrons proviennent du centre réactionnel du photosystème I et sont transportés un à un par la ferrédoxine. Le mécanisme catalytique de cette réaction simple est encore mal connu: interaction avec la ferrédoxine réduite, stockage des charges, catalyse par les atomes de fer, rôle des ligands. De plus, la ferrédoxine partenaire de l'hydrogénase est une enzyme clé du métabolisme énergétique, car elle distribue ses électrons à de nombreuses voies métaboliques dont le cycle de Calvin impliquant la Ferrédoxine-NADP+ Réductase (FNR).
Dans le cadre du développement d'un procédé de photoproduction d'hydrogène par des microalgues, deux aspects nous intéressent particulièrement : comprendre le métabolisme énergétique relié à la production d'hydrogène et développer des outils pour la caractérisation fonctionnelle des hydrogénases. Une étape importante a consisté récemment à étudier une chaîne complexe de transfert d'électron impliquant un des partenaires les plus importants de la ferrédoxine, la FNR. Cette chaîne, reconstituée à partir des partenaires isolés, a été caractérisée en détail (énergétique, cinétiques, efficacité catalytique) par voltamétrie cyclique dans une cellule électrochimique et par spectroscopie d'absorption cinétique. Deux axes principaux de recherche sont actuellement poursuivis : tout d'abord nous utilisons les méthodes mises au point pour la FNR pour l'étude d'hydrogénases; ensuite nous caractérisons in vitro et in vivo différentes formes de FNR présentes dans les cyanobactéries pour quantifier les flux majeurs d'électrons impliquant la ferrédoxine (collaboration G. Ajlani, LBMS).
Les hydrogénases à centre [Fe-Fe] d’algues sont naturellement faiblement exprimées et extrêmement sensibles à l’oxygène. Afin d’augmenter les quantités et de simplifier la purification de l’enzyme, l’expression hétérologue d’hydrogénases à centre [Fe-Fe] a été réalisée dans une bactérie anaérobie facultative. Grâce à ce système, il est possible de purifier suffisamment d’hydrogénase pour pouvoir en étudier l’enzymologie. L’expression hétérologue permet également d’entreprendre la mutagenèse dirigée des hydrogénases et ainsi d’étudier le rôle de certains acides aminés dans les propriétés de l’enzyme (interaction avec la ferrédoxine, transfert des protons, rôle dans la catalyse).
Conception des complexes photocatalytiques artificiels
Le deuxième axe de nos recherches porte sur la conception des complexes photocatalytiques artificiels pour la production d'hydrogène par photolyse de l'eau et réduction de protons. Les molécules synthétisées sont munis d'un complexes de Ruthénium comme chromophore photoactif, convertissant l'énergie lumineuse en potentiel d'oxydo-réduction, et d'un ligand redox-actif qui peut catalyser soit l'oxydation de l'eau soit la réduction de protons. La conception du ligand catalytique contenant une cavité pour fixer un ou plusieurs ions métalliques suit une approche bio-inspirée. Les deux sous-unités, chromophore et ligand catalytique, sont reliées par un espaceur organique aromatique et rigide maintenant ces deux protagonistes à distance fixe, facteur crucial pour contrôler le transfert électronique. Pour la caractérisation fonctionnelle de ces complexes nous faisons appel à des méthodes spectroscopiques résolues dans le temps combinées à des calculs DFT. L’information obtenue par les mesures photophysiques guide la conception de nouvelles générations de molécules.
L'approche bio-inspirée pour la conception de sites catalytiques s’appuie sur la recherche des équipes qui travaillent sur des systèmes catalytiques biologiques (hydrogénases et complexe d’oxydation de l’eau du photosystème II).
