Vers des CO2 réductases artificielles et des hydrogénases artificielles

Towards artificial CO2 reductases and artificial hydrogenases

• Auteur / Autrice : Raphaël Labidi
• Direction : Marc Fontecave
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie des processus biologiques (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Anna Proust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angelina Lombardi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Avenier, Yasmina Mekmouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Dioxyde de carbone

Hémoprotéines

Chimie biomimétique

Chimie bioinorganique

Mots clés libres

Hémoprotéines

Catalyseurs synthétiques

CO2 réductases artificielles

Hemoproteins

Synthetic catalysts

Artificial CO2 reductases

Résumé

L'accumulation de CO2 due à la combustion des énergies fossiles contribuant au changement climatique et le caractère non renouvelable des énergies fossiles souligne le besoin d'alternatives durables en termes d'énergie et de source de Carbon utilisable dans l'industrie chimique. Le CO2 peut être transformé en composés utiles comme le monoxyde de Carbon et l'acide formique grâce à des procédés photochimiques. De plus, l'hydrogène issu de la réduction de l'eau est un carburant propre prometteur. Inspirés par les enzymes naturelles, les scientifiques explorent l'enzymologie artificielle pour créer des systèmes catalytiques en intégrant des catalyseurs synthétiques dans des protéines hôtes. L'objectif de cette thèse était de développer des enzymes artificielles efficaces et sélectives dont les cofacteurs seraient composés de métaux bon marché et abondants pour réduire le CO2 ou produire du H2 par photocatalyse. Le premier chapitre présente les enzymes artificielles utilisées comme photo catalyseurs pour la réduction du CO2 et des protons en H2 en milieu aqueux. Le deuxième chapitre décrit le développement et la caractérisation d'une réductase artificielle du CO2, issue de la combinaison d'une hémoprotéine, l'hème oxygénase, avec une protoporphyrine IX de cobalt. Cette enzyme artificielle s'est montrée active pour réduire le CO2 en CO atteignant une fréquence de rotation (TOF) d'environ 616 h-1, une valeur de rotation (TON) d'environ 589 après 3h de réaction, et une sélectivité de 72 % pour la production de CO par rapport à la génération de H2. Des expériences photo-physiques ont permises de mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Nous avons obtenu aussi une structure cristalline de l'enzyme en présence et en absence du substrat dans le site actif. Ces résultats nous ont permis de mettre en place une stratégie de mutagenèse dirigée de résidus à proximité du cofacteur dans le but de moduler l'activité de l'enzyme. Dans une troisième partie de ce manuscrit, nous rapportons la préparation de metallo-enzymes artificielles basées sur la structure de l'hème oxygénase dans laquelle des salophènes métalliques (métal = FeIII, CoII, MnIII et CrIII) ont été insérés. Nous montrons que les dérivés à base de cobalt présentent une bonne activité pour la photo réduction du CO2 en monoxyde de carbone (CO), atteignant un TON de 253 et un TOF de 755 h-1. De plus, ces enzymes artificielles ont montré une sélectivité de 100% envers la réduction du CO2. Nous avons aussi conduit des études de mutagenèse dirigée des résidus dans le site actif de la protéine afin de moduler l'activité de cette dernière. Enfin, dans la dernière partie de ce manuscrit, nous décrirons la préparation et la caractérisation biochimique et spectroscopique complète d'une petite métalloprotéine bactérienne (12 kDa) appelée la protéine orange (Orp). Cette protéine contient un cluster unique et linéaire à base de molybdène et de cuivre ([S2MoS2CuS2MoS2]3−). En effectuant des simulations d'amarrage et des études de moléculaires dynamiques, nous avons proposé une structure de l'holo-Orp dans laquelle le cluster chargé négativement est lié de manière non covalente à une cavité contenant des lysines et des arginines chargées positivement à la surface de la protéine. Alors que l'Orp s'est révélée inactive pour la réduction du CO2 elle s'est cependant, l'Orp s'est montré efficace pour la réduction des protons. Après optimisation des conditions de photo réaction, l'holo-Orp a atteint un TON de 890 après 4h de réaction. De plus, sous avons reconstitué l'Orp avec une série de clusters dinucléaires [S2MS2M'S2MS2](4n)−, avec M = MoVI, WVI et M'(n+) = CuI, FeI, NiI, CoI, ZnII, CdII conduisant à différents dérivés M/M'-Orp qui se sont révélés actifs, le catalyseur Mo/Fe-Orp affichant un TON de 1150 après 2,5h de réaction et une fréquence de TOF de 800 h-1. Enfin, des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité nous ont permises de proposer un mécanisme de réaction.

The accumulation of carbon dioxide (CO2) from fossil fuel combustion drives climate change and the nonrenewable nature of the later, highlight need for sustainable energy and carbon source alternatives. CO2 can be captured and converted into valuable compounds like carbon monoxide (CO) and acid formic (HCOOH) through photochemical processes. Additionally, hydrogen from water reduction offers a promising clean fuel for a decarbonized economy. Thereby, photo-reduction of CO2 and water is a promising method to store renewable energy, such as solar power, by converting it into chemical energy. Inspired by natural enzymes that efficiently catalyze these reactions, but are difficult to produce, scientists are exploring artificial enzymology, which involves anchoring synthetic catalysts in proteins to expand the enzyme repertoire. In the same way, the objective of this thesis was to develop efficient and selective artificial enzymes based on non-noble metals to reduce CO2 or to evolve H2 via photocatalysis. The first chapter is a presentation of the artificial enzymes previously developed by the scientific community as photocatalyst for both the reduction of carbon dioxide and the reduction of protons to dihydrogen in aqueous environment. In a second chapter, we show how we have developed and characterized an artificial CO2 reductase resulting from the combination of a hemoprotein called the heme oxygenase with a cobalt protoporphyrin IX. The ensuing enzyme was able to reduce CO2 to CO with a turnover frequency value (TOF) of ~ 616h-1, a turnover number (TON) value of ~589, after 3h reaction, and a CO vs H2 selectivity of 72%. Photophysical experiments allowed to get insights into the reaction mechanism. Crystal structures of the enzyme in the presence and in the absence of the substrate in the active site were obtained. These results allowed us to build a rational site-directed mutagenesis strategy of residues at the vicinity of the cofactor with the objective to modulate the activity of the enzyme. In a third part we report the preparation of artificial metallo-enzymes based on the heme oxygenase scaffold in which metal-salophen complexes (metal= FeIII, CoII, MnIII and CrIII) were inserted. We show that the cobalt based constructs present a good activity for photoreduction of CO2 to CO reaching TON of 253 and TOF of 755h-1 after optimization of the photoreaction conditions. Furthermore, these constructs showed a 100% selectivity toward CO2 reduction. Site directed mutagenesis of residues in the active site of the protein were also performed to modulate the activity of the construct. Finally, in the last part of this manuscript, we describe the preparation and the complete biochemical and spectroscopic characterization of a small bacterial metalloprotein (12 kDa) called the orange protein (Orp). This protein of unknow function harbors a unique and linear Mo/Cu cluster ([S2MoS2CuS2MoS2]3−). Performing docking simulations and dynamic molecular studies we propose a structure of holo-Orp in which the negatively charged cluster is non covalently bound to a cavity containing positively charged lysine and arginine residues at the surface of the protein. While we were studying Orp as a potential artificial CO2 reductase in the presence of the well-known ruthenium-based photosensitizer ([Ru(bpy)3]2+]) and sodium ascorbate as a sacrificial electron donor, no CO2 reduction activity was observed but instead a high efficiency for proton reduction. After optimization of the photoreaction condition, holo-Orp reached a TON of 890 at 4 hours of reaction. A series of dinuclear [S2MS2M'S2MS2](4n)− clusters, with M = MoVI, WVI and M'(n+) = CuI, FeI, NiI, CoI , ZnII, CdII were assembled in Orp, leading to different M/M'-Orp versions which are shown to display catalytic activity, with the Mo/Fe-Orp catalyst giving a remarkable TON of 1150 after 2.5 hours reaction and TOF of 800 h-1. Finaly, DFT calculations allowed us to propose a mechanism of reaction.