La cage a été modifiée par le remplacement d’acides aminés en introduisant des mutations spécifiques au site qui permettent une meilleure absorption de l’IrCp*. Crédit : Takafumi Ueno de l’Institut de technologie de Tokyo.
Des chercheurs de l’Institut technologique de Tokyo ont découvert dans une nouvelle étude qu’un nouveau nanocage hybride de ferritine avec des résidus d’histidine présente une absorption d’ions métalliques 1,5 fois supérieure et une efficacité catalytique améliorée pour la production d’alcool. Leurs résultats suggèrent que les bio-nanocages hybrides pourraient catalyser efficacement des réactions pour obtenir des produits importants sur le plan industriel.
Les polymères biologiques peuvent s’auto-assembler spontanément en structures complexes qui ressemblent à des vaisseaux ou à des cages, mais sont beaucoup plus petites, et sont appelées “nano-cages”. Ces structures peuvent accueillir en leur sein un large éventail de molécules qui se comportent comme des “invités”. Un exemple populaire est le “nanocage de ferritine”, qui est formé par l’auto-assemblage de 24 sous-unités de la protéine ferritine et peut enfermer des ions métalliques qui sont d’importants catalyseurs. Avec l’aide de ces ions métalliques, une réaction catalytique transforme tout substrat en produit. Bien que largement connues, les applications potentielles de la cage de ferritine dans l’industrie n’ont pas encore été pleinement explorées.
Jusqu’à présent, la plupart des efforts visant à augmenter l’absorption d’ions métalliques dans la ferritine ont abouti à des cages peu stables. Pour que l'”invité” s’intègre bien dans la cage, il faut une conception efficace. En gardant cela à l’esprit, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Takafumi Ueno, de l’Institut de technologie de Tokyo, au Japon (Tokyo Tech), a introduit des mutations spécifiques au cœur du nanocage de ferritine et a augmenté son absorption du complexe d’iridium (IrCp*). Leurs résultats sont publiés dans Angewandte Chemie. L’iridium est un catalyseur essentiel dans la voie de production de l’alcool et est utilisé commercialement dans les industries pharmaceutique, alimentaire et chimique.
Le nanocage agit comme un bio-catalyseur hybride lors de la conversion de substrats en alcools avec une grande spécificité. Crédit : Takafumi Ueno de l’Institut de technologie de Tokyo.
Le professeur Ueno explique : “Sur la base de la littérature précédente, nous savions que la présence de la coordination acides aminés dans la cage améliore l’activité de l’iridium, et que le remplacement de ces acides aminés par des résidus appropriés pourrait atténuer le problème. Comme le complexe d’iridium se comporte comme un catalyseur, les résidus de coordination feraient l’affaire.” Les auteurs ont utilisé les acides aminés acide aminé histidine pour remplacer deux résidus, l’arginine et l’acide aspartique des cages de ferritine ordinaires (type sauvage) et créer les mutants R52H et D38H. De façon remarquable, la structure de l’assemblage ou la taille de la cage n’ont pas été affectées par ces changements.
Ensuite, ils ont ajouté IrCp* aux mutants et ont constaté que R52H était capable d’incorporer 1,5 fois plus d’atomes d’iridium que la cage de type sauvage (Figure 1). Mais ce qui les a frappés, c’est le mutant D38H, qui se comportait exactement comme le type sauvage ! Alors, pourquoi les deux mutations n’ont-elles pas eu le même effet ? Selon le professeur Ueno, “Cela implique que ce n’est pas seulement la présence du résidu histidine mais aussi sa position qui est cruciale pour déterminer l’efficacité de l’absorption dans la cage.”
En utilisant les nouvelles cages catalytiques, les chercheurs ont pu obtenir des taux de production d’alcool atteignant 88 %. De toute évidence, les mutations ont favorisé un réarrangement structurel des composants de la réaction, ce qui a amélioré le taux de conversion (Figure 2).
Pour comprendre comment le substrat se comporte à l’intérieur de la cage, les chercheurs ont utilisé des simulations dans lesquelles les molécules de substrat pouvaient se déplacer librement dans la nanocage. Ils ont observé certaines interactions entre le substrat et l’histidine dans le mutant R52H, qui n’étaient pas présentes dans la cage de type sauvage, c’est-à-dire que le substrat a montré une liaison préférentielle dans le nanocage.
“Ces bio-nanocages hybrides se sont également révélés très stables, ce qui suggère qu’ils pourraient être utilisés comme catalyseurs viables dans des applications industrielles”, conclut le professeur Ueno. La conception actuelle, basée sur la structure, du site de liaison des ions métalliques pourrait être développée pour créer de nouveaux mutants de la ferritine avec une absorption sélective de molécules invitées spécifiques, pour diverses applications catalytiques dans l’industrie chimique et pharmaceutique.
Référence : “Controlled Uptake of an Iridium Complex inside Engineered apo-Ferritin Nanocages : Study of Structure and Catalysis” par Mohd Taher, Basudev Maity, Taiki Nakane, Satoshi Abe, Takafumi Ueno et Shyamalava Mazumdar, 10 janvier 2022, Angewandte Chemie.
DOI : 10.1002/anie.202116623
