: En imitant la photosynthèse, les chercheurs du MIT ont conçu un nouveau type de photocatalyseur qui peut absorber la lumière et l’utiliser pour aider à catalyser une variété de réactions chimiques qui seraient autrement difficiles à réaliser. Crédit : MIT
La nouvelle molécule peut améliorer le rendement des réactions pour générer des produits pharmaceutiques et d’autres composés utiles.
En imitant la photosynthèse, le processus lumineux que les plantes utilisent pour produire des sucres, AVEC les chercheurs ont conçu un nouveau type de photocatalyseur capable d’absorber la lumière et de l’utiliser pour déclencher diverses réactions chimiques.
Le nouveau type de catalyseur, connu sous le nom de photocatalyseur biohybride, contient une protéine récupérant la lumière qui absorbe la lumière et transfère l’énergie à un catalyseur contenant du métal. Ce catalyseur utilise ensuite l’énergie pour effectuer des réactions qui pourraient être utiles pour synthétiser des produits pharmaceutiques ou convertir des déchets en biocarburants ou autres composés utiles.
“En remplaçant les conditions et les réactifs nocifs par la lumière, la photocatalyse peut rendre la synthèse pharmaceutique, agrochimique et de carburant plus efficace et compatible avec l’environnement”, explique Gabriela Schlau-Cohen, professeur agrégé de chimie au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Travailler avec des collègues de université de Princeton et Université d’État de Caroline du Nord, les chercheurs ont montré que le nouveau photocatalyseur pouvait augmenter considérablement le rendement des réactions chimiques qu’ils ont essayées. Ils ont également démontré que contrairement aux photocatalyseurs existants, leur nouveau catalyseur peut absorber toutes les longueurs d’onde de la lumière.
L’étudiant diplômé du MIT, Paul Cesana, est l’auteur principal de l’article, qui paraît aujourd’hui dans la revue Chimie.
Réactions à haute énergie
La plupart des catalyseurs accélèrent les réactions en abaissant la barrière énergétique nécessaire pour que la réaction se produise. Au cours des 20 dernières années environ, les chimistes ont fait de grands progrès dans le développement de photocatalyseurs, des catalyseurs capables d’absorber l’énergie de la lumière. Cela leur permet de catalyser des réactions qui ne pourraient pas se produire sans cet apport supplémentaire d’énergie.
« En photocatalyse, le catalyseur absorbe l’énergie lumineuse pour passer à un état électronique beaucoup plus excité. Et grâce à cette énergie, il introduit une réactivité qui serait d’une intensité énergétique prohibitive si tout ce qui était disponible était de l’énergie à l’état fondamental », explique Schlau-Cohen.
Ceci est analogue à ce que font les plantes pendant la photosynthèse. La machinerie photosynthétique des cellules végétales comprend des pigments absorbant la lumière tels que la chlorophylle qui capturent les photons de la lumière du soleil. Cette énergie est ensuite transférée à d’autres protéines qui stockent l’énergie sous forme d’ATP, et cette énergie est ensuite utilisée pour produire des glucides.
Ce schéma du nouveau type de catalyseur montre que la photoexcitation des pigments (rouge) à n’importe quelle longueur d’onde conduit à un transfert d’énergie (vert), qui peut catalyser des réactions. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans des travaux antérieurs sur les photocatalyseurs, les chercheurs ont utilisé une molécule pour effectuer à la fois l’absorption de la lumière et la catalyse. Cette approche a des limites, car la plupart des catalyseurs utilisés ne peuvent absorber que certaines longueurs d’onde de la lumière, et ils n’absorbent pas la lumière efficacement.
“Lorsque vous avez une molécule qui doit effectuer la récolte de lumière et la catalyse, vous ne pouvez pas optimiser simultanément pour les deux choses”, explique Schlau-Cohen. « C’est pour cette raison que les systèmes naturels les séparent. Dans la photosynthèse, il existe une architecture dédiée où certaines protéines récupèrent la lumière, puis canalisent cette énergie directement vers les protéines qui effectuent la catalyse.
Pour créer leur nouveau catalyseur biohybride, les chercheurs ont décidé d’imiter la photosynthèse et de combiner deux éléments distincts : un pour récolter la lumière et un autre pour catalyser la réaction chimique. Pour le composant de récolte de lumière, ils ont utilisé une protéine appelée R-phycoérythrine (RPE), trouvée dans les algues rouges. Ils ont attaché cette protéine à un catalyseur contenant du ruthénium, qui a déjà été utilisé seul pour la photocatalyse.
En collaboration avec des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord dirigés par le professeur de chimie Felix Castellano, le laboratoire de Schlau-Cohen a montré que la protéine récoltant la lumière pouvait efficacement capturer la lumière et la transférer au catalyseur. Ensuite, des chercheurs de l’Université de Princeton dirigés par David MacMillan, professeur de chimie et récent lauréat du prix Nobel de chimie, ont testé les performances du catalyseur dans deux types différents de réactions chimiques. L’un est un couplage thiol-ène, qui relie un thiol et un alcène pour former un thioéther, et l’autre remplace un groupe thiol restant par un méthyle après le couplage peptidique.
L’équipe de Princeton a montré que le nouveau catalyseur biohybride pouvait multiplier par dix le rendement de ces réactions, par rapport au photocatalyseur au ruthénium seul. Ils ont également découvert que les réactions pouvaient se produire sous un éclairage à la lumière rouge, ce qui a été difficile à réaliser avec les photocatalyseurs existants et est bénéfique car il produit moins de réactions secondaires indésirables et est moins dommageable pour les tissus, il pourrait donc potentiellement être utilisé dans les systèmes biologiques.
Synthèse chimique
Ce photocatalyseur amélioré pourrait être incorporé dans des processus chimiques utilisant les deux réactions testées dans cette étude, selon les chercheurs. Le couplage thiolène est utile pour créer des composés utilisés dans l’imagerie et la détection de protéines, l’administration de médicaments et la stabilité des biomolécules. À titre d’exemple, il est utilisé pour synthétiser des lipopeptides qui peuvent permettre une absorption plus facile des candidats vaccins antigéniques. L’autre réaction que les chercheurs ont testée, la désulfuration de la cystéine, a de nombreuses applications dans la synthèse de peptides, notamment la production d’enfurvitide, un médicament qui pourrait être utilisé pour traiter le VIH.
Ce type de photocatalyseur pourrait également être utilisé pour entraîner une réaction appelée dépolymérisation de la lignine, qui pourrait aider à générer des biocarburants à partir de bois ou d’autres matières végétales difficiles à décomposer.
Les chercheurs prévoient maintenant d’essayer d’échanger différentes protéines et catalyseurs de récolte de lumière, afin d’adapter leur approche à une variété de réactions chimiques.
« Nous avons fait une preuve de principe où vous pouvez séparer la récupération de la lumière et la fonction catalytique. Maintenant, nous voulons penser à faire varier la pièce catalytique et la pièce de récolte de lumière pour élargir cette boîte à outils, pour voir si cette approche peut fonctionner dans différents solvants et dans différentes réactions », explique Schlau-Cohen.
Référence : « Une stratégie biohybride pour permettre la catalyse photoredox avec une lumière à faible énergie » par Paul T. Cesana, Beryl X. Li, Samuel G. Shepard, Stephen I. Ting, Stephanie M. Hart, Courtney M. Olson, Jesus I. Martinez Alvarado, Minjung Son, Talia J. Steiman, Felix N. Castellano, Abigail G. Doyle, David WC MacMillan et Gabriela S. Schlau-Cohen, 15 novembre 2021, Chimie.
DOI: 10.1016/j.chempr.2021.10.010
Ce travail a été soutenu dans le cadre du Bioinspired Light-Escalated Chemistry (BioLEC) Energy Frontier Research Center, financé par le ministère américain de l’Énergie Office of Science.
