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    Adapter les enzymes aux applications industrielles

    Avec leurs partenaires de recherche, l'équipe du Centre d'électrochimie travaille au développement de nouveaux catalyseurs. Crédit : RUB, Marquard

    Des chercheurs de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) ont développé de nouvelles techniques pour coupler efficacement les enzymes bactériennes aux électrodes. Avec une équipe de l'Université de l'Utah, ils ont réalisé un système de synthèse d'ammoniac basé sur une enzyme nitrogénase. Ils ont également conçu une biopile à hydrogène/oxygène basée sur une enzyme hydrogénase en collaboration avec une équipe du Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion. Les deux articles ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie en mai et juin 2020.

    Les enzymes puissantes nécessitent des conditions spéciales

    De nombreuses enzymes présentes dans la nature sont de puissants catalyseurs, telles que les hydrogénases [FeFe]-hydrogénases. Les hydrogénases sont utilisées par les bactéries pour produire de l'hydrogène, tandis que les nitrogénases réussissent à activer la liaison la plus forte de la nature dans l'azote (N2). Les deux enzymes sont très sensibles à l'oxygène, mais utilisent des métaux non précieux facilement disponibles dans leurs centres actifs. Ainsi, ils pourraient un jour remplacer les catalyseurs coûteux en métaux précieux. « Utiliser des catalyseurs aussi hautement sensibles pour les biopiles est toujours l'un des plus grands défis de la conversion d'énergie durable, " dit le professeur Wolfgang Schuhmann, responsable du RUB Center for Electrochemistry et membre du pôle d'excellence "Ruhr Explores Solvation, " Résoudre.

    Biopile réalisée avec enzyme

    En coopération avec l'équipe du professeur Wolfgang Lubitz de l'Institut Max Planck pour la conversion chimique de l'énergie à Mülheim an der Ruhr, le groupe de Bochum a montré dans quelles circonstances cela est pourtant possible. Ils ont utilisé une hydrogénase dite [FeFe] de la bactérie Desulfovibrio desulfuricans. Bien qu'il s'agisse d'un catalyseur très efficace, il doit être protégé dans la pile à combustible de l'oxygène nécessaire au fonctionnement au niveau de la deuxième électrode.

    Dans ce travail, les scientifiques ont intégré pour la première fois la [FeFe]-hydrogénase dans une biopile fonctionnant avec des électrodes dites à diffusion gazeuse. Dans cette cellule, l'hydrogène et l'oxygène sont transportés vers les enzymes à travers une membrane. L'équipe a intégré l'enzyme dans une matrice constituée d'un polymère dit redox, qui fixe l'enzyme à la surface de l'électrode perméable aux gaz, protège l'enzyme des effets nocifs de l'oxygène et établit également un contact électrique entre l'enzyme et l'électrode. Avec cette conception, la pile à combustible a atteint des densités de courant élevées jusqu'alors inégalées de 14 milliampères par centimètre carré et des densités de puissance élevées de 5,4 milliwatts par centimètre carré.

    Procédé biosourcé pour la production d'ammoniac

    Dans le deuxième projet, l'équipe de recherche du RUB, avec le groupe américain dirigé par le professeur Shelley Minteer de l'Université de Salt-Lake City, ont cherché une alternative bioélectrosynthétique pour la synthèse d'ammoniac. Dans l'industrie chimique, l'ammoniac est généralement produit en utilisant le procédé Haber-Bosch à haute température et haute pression et avec une libération considérable de CO 2 .

    Certaines bactéries possèdent des enzymes, appelées nitrogénases, avec laquelle ils fixent l'azote moléculaire (N2) et peuvent le métaboliser à température ambiante et sans surpression. Cependant, dans les organismes vivants, cela consomme beaucoup d'énergie sous la forme de molécules de stockage d'énergie ATP.

    L'équipe de recherche a montré qu'il est possible de coupler la nitrogénase de la bactérie Azotobacter vinelandii avec une électrode à travers laquelle les électrons nécessaires à la réaction peuvent être fournis, de sorte qu'aucun ATP n'est requis. Encore une fois, la clé du succès était un polymère redox qui a aidé à établir un contact électrique stable et efficace entre l'électrode et le composite nitrogénase/polymère redox. "A notre connaissance, la fixation et la mise en contact des nitrogénases dans les polymères redox est la première étape pour rendre les nitrogénases applicables pour la bioélectrosynthèse, " écrivent les auteurs de l'étude.


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