Hydrogénases artificielles : nouveaux catalyseurs biosynthétiques pour la production d'hydrogène

Artificial hydrogenases : New biosynthetic catalysts for hydrogen evolution

• Auteur / Autrice : Marine Bacchi
• Direction : Vincent Artero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/09/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux
• Jury : Président / Présidente : Catherine Belle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marius Reglier, Marc Fontecave
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-pierre Mahy, Michele Salmain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogénases

Mots clés libres

Hydrogénase artificielle

Myoglobine

Hydrogène

Catalyse

Cobalt

Artificial hydrogenase

Myoglobin

Hydrogen

Catalysis

Cobalt

Résumé

A l'heure actuelle la recherche de nouvelles ressources énergétiques est un domaine en plein développement. Dans ce cadre, l'hydrogène moléculaire y a toute sa place et sera un vecteur énergétique majeur du XXIème siècle en permettant le stockage des énergies renouvelables. Cependant son utilisation est pour l'instant limitée à cause du coût élevé de sa production, industriellement basée sur le platine comme catalyseur. Un des enjeux majeurs de ce siècle est donc de trouver de nouveaux catalyseurs performants pour la production d'hydrogène et dont le coût soit suffisamment faible pour permettre un développement industriel. Les hydrogénases sont des enzymes catalysant la réduction de protons en hydrogène avec une grande efficacité et en conditions douces. Leurs sites actifs sont basés sur des métaux abondants comme le nickel ou le fer et ont des activités similaires au platine dans certaines conditions. Cependant quelques inconvénients, comme leur inactivation par l'oxygène ou encore le fait qu'il soit assez difficile de les produire sous forme active, limitent leur utilisation technologique. Dans ce contexte, la chimie bio-inspirée et la chimie biomimétique sont particulièrement prometteuses : prenant exemple sur la nature et plus particulièrement sur les sites actifs enzymatiques, elles permettent de développer de nouvelles familles de catalyseurs. On a pu ainsi développer des complexes dinucléaire nickel-fer ou encore des complexes de cobalt ayant une activité dans la catalyse de réduction de protons. Certains complexes de cobalt, les cobaloximes et les complexes diimine dioxime de cobalt ont ainsi montré de bonnes activités dans la réduction de protons en milieux organiques ou mixtes organiques/eau. Jusqu'alors cependant peu d'études ont été effectuées en milieux complétement aqueux. Nous pouvons aller plus loin dans cette démarche via une approche dite biosynthétique, qui vise à incorporer des catalyseurs inorganiques dans des enveloppes protéiques. Ces enveloppes protéiques peuvent, par différentes interactions, potentiellement améliorer la solubilité et la stabilité dans l'eau des catalyseurs inorganiques. La thèse qui suit se concentre sur cette approche et plus particulièrement sur la production, la caractérisation et l'étude de nouveaux hybrides entre différentes hémoprotéines (myoglobine et hème oxygénase en particulier) et différents complexes de cobalt (cobaloximes et complexe diimine dioxime de cobalt). Après avoir mis au point un protocole pour la production et la purification de la myoglobine de cachalot sans son cofacteur héminique, nous nous sommes intéressés à préparer et caractériser différents hybrides. Nous avons pu montrer par ce travail que les hémoprotéines dépourvues de leur cofacteur biologique ont une affinité particulière pour les complexes de cobalt et que la coordination de ces complexes inorganiques se fait via une seule histidine de la protéine hôte. Les hybrides ainsi obtenus ont montré une grande stabilité en solution. En plus de l'ajout d'un ligand histidine en axial du cobalt, l'enveloppe protéique permet de moduler la seconde sphère de coordination. Nous avons pu montrer au cours de ce projet que la nature de la protéine hôte module les caractéristiques spectroscopiques et électrochimiques du complexe de cobalt. Enfin ces hybrides ont montré d'une manière générale une activité catalytique pour la production et la photoproduction d'hydrogène dans l'eau, là encore avec une nette influence de la protéine hôte sur l'activité du complexe. Nous avons donc au cours de cette thèse préparé et caractérisé des systèmes hybrides pouvant être qualifiés d'hydrogénases artificielles.

Hydrogen production, through the reduction of water in electrolysers, is currently one of the most convenient ways to store energy durably, if the electrical energy is initially obtained from renewable resources. However, while electrolysis is a mature and robust technology, the most promising devices, based on proton exchange membranes, relay on the use of platinum as electrocatalyst to accelerate both hydrogen evolution and water oxidation reactions. This rare and expensive metal is not itself a renewable resource, so the viability of a hydrogen economy depends on the design of new efficient and robust electrocatalytic materials based on earth-abundant elements. A competitive alternative to platinum could be found in living micro-organisms metabolizing hydrogen thanks to hydrogenases. Catalysis in hydrogenases only requires base-metal centers (nickel and iron) thus holding promises for the development of earth-abundant H2-evolving catalysts but these enzymes are highly oxygen sensitive and difficult to rproduce in large quantities under an active form. Biomimetic and bioinspired chemistry can use the structure of their active sites as an inspiration to design new synthetic catalysts and could produce dinuclear nickel –ion or diiron and cobalt complexes as active H2 evolving catalysts, respectively. In particular cobaloximes and cobalt diimine–dioxime complexes are efficient and stable electro-catalysts for hydrogen evolution form acidic nonaqueous solutions or in mixtures of water and a non-aqueous solvent. Until now, only few studies on H2 evolution catalyzed by these Co complexes have been reported. In this work we use the biosynthetic approach, consisting in producing biohydrid systems combining a synthetic catalyst with a host protein. The protein framework is expected to provide the catalyst with enhanced solubility in water, to proect it against side reactions leading to decomposition and, ultimately to improve its catalytic performances. We selected hemoproteins (myoglobin and heme oxygenase) as host proteins and studied the formation of adducts with cobaloximes and cobalt diimine–dioxime complexes. We first describe the method used to produce the apo-form of myoglobin ( ie the protein without its naturel cofactor, heme) and then describe the preparation and characterization of various hybrids in which the cobalt complexes are bound to the protein thanks to the coordination of the imidazole group of a histidine residue. The hybrids proved stable in solution and display catalytic activity for hydrogen production in fully aqueous solution. We also showed that the protein framework tunes the catalytic activity for of the cobalt complex. These novel biohybrids can thus be named as artificial hydrogenases.