Tous les organismes vivants dépendent d'enzymes, des molécules qui accélèrent les réactions biochimiques essentielles à la vie.

Les scientifiques ont passé des décennies à essayer de créer des enzymes artificielles capables de produire des produits chimiques et des carburants importants à une échelle industrielle avec des performances rivalisant avec leurs homologues naturelles.

Des chercheurs de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory ont mis au point un catalyseur synthétique qui produit des produits chimiques de la même manière que les enzymes le font dans les organismes vivants. Dans une étude publiée dans le numéro du 5 août de Catalyse naturelle , les chercheurs affirment que leur découverte pourrait conduire à des catalyseurs industriels capables de produire du méthanol en utilisant moins d'énergie et à moindre coût. Le méthanol a une variété d'applications, et il y a une demande croissante pour son utilisation comme carburant avec des émissions plus faibles que l'essence conventionnelle.

"Nous nous sommes inspirés de la nature, " a déclaré l'auteur principal Matteo Cargnello, professeur adjoint de génie chimique à Stanford. "Nous voulions imiter la fonction des enzymes naturelles en laboratoire en utilisant des catalyseurs artificiels pour fabriquer des composés utiles."

Pour l'expérimentation, les chercheurs ont conçu un catalyseur composé de nanocristaux de palladium, un métal précieux, noyés dans des couches de polymères poreux conçus avec des propriétés catalytiques spéciales. La plupart des enzymes protéiques présentes dans la nature contiennent également des traces de métaux, comme le zinc et le fer, incrusté dans leur noyau.

Les chercheurs ont pu observer des traces de palladium dans leurs catalyseurs grâce à l'imagerie au microscope électronique du co-auteur Andrew Herzing du National Institute of Standards and Technology.

Réaction du modèle

« Nous nous sommes concentrés sur une réaction chimique modèle :convertir le monoxyde de carbone et l'oxygène toxiques en dioxyde de carbone (CO2), " a déclaré Andrew Riscoe, étudiant au doctorat, auteur principal de l'étude. "Notre objectif était de voir si le catalyseur artificiel fonctionnerait comme une enzyme en accélérant la réaction et en contrôlant la façon dont le CO2 est produit."

Découvrir, Riscoe a placé le catalyseur dans un tube de réacteur avec un flux continu de monoxyde de carbone et d'oxygène gazeux. Lorsque le tube a été chauffé à environ 150 degrés Celsius (302 degrés Fahrenheit), le catalyseur a commencé à générer le produit souhaité, gaz carbonique.

Les rayons X à haute énergie de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) au SLAC ont révélé que le catalyseur avait des caractéristiques similaires à celles observées dans les enzymes :les nanocristaux de palladium à l'intérieur du catalyseur réagissaient en continu avec l'oxygène et le monoxyde de carbone pour produire du dioxyde de carbone. Et certaines des molécules de dioxyde de carbone nouvellement formées étaient piégées dans les couches extérieures de polymère lorsqu'elles s'échappaient des nanocristaux.

"Les rayons X ont montré qu'une fois les couches de polymère remplies de CO2, la réaction s'est arrêtée, " dit Cargnello, une filiale de la Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "C'est important, car c'est la même stratégie utilisée par les enzymes. Lorsqu'une enzyme produit trop d'un produit, il ne fonctionne plus, car le produit n'est plus nécessaire. Nous avons montré que nous pouvons également réguler la production de CO2 en contrôlant la composition chimique des couches polymères. Cette approche pourrait avoir un impact sur de nombreux domaines de la catalyse. »

L'imagerie aux rayons X a été réalisée par les co-auteurs de l'étude Alexey Boubnov, un chercheur postdoctoral de Stanford, et les scientifiques du SLAC Simon Bare et Adam Hoffman.

Faire du méthanol

Avec le succès de l'expérience sur le dioxyde de carbone, Cargnello et ses collègues se sont penchés sur la conversion du méthane, l'ingrédient principal du gaz naturel, en méthanol, un produit chimique largement utilisé dans les textiles, plastiques et peintures. Le méthanol a également été présenté comme un produit moins cher, alternative plus propre à l'essence.

"La capacité de convertir le méthane en méthanol à basse température est considérée comme le Saint Graal de la catalyse, " a déclaré Cargnello. "Notre objectif à long terme est de construire un catalyseur qui se comporte comme la méthane monooxoygénase, une enzyme naturelle que certains microbes utilisent pour métaboliser le méthane."

La plupart du méthanol aujourd'hui est produit dans un processus en deux étapes qui consiste à chauffer le gaz naturel à des températures d'environ 1, 000 C (1, 800F). Mais ce processus énergivore émet une grande quantité de dioxyde de carbone, un puissant gaz à effet de serre qui contribue au changement climatique mondial.

"Un catalyseur artificiel qui convertit directement le méthane en méthanol nécessiterait des températures beaucoup plus basses et émettrait beaucoup moins de CO2, " expliqua Riscoe. " Idéalement, nous pourrions également contrôler les produits de la réaction en concevant des couches de polymère qui piègent le méthanol avant qu'il ne brûle."

Futures enzymes

"Dans ce travail, nous avons démontré que nous pouvons préparer des matériaux hybrides à base de polymères et de nanocristaux métalliques qui présentent certains traits typiques de l'activité enzymatique, " dit Cargnello, qui est également affilié au SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis de Stanford. "Ce qui est passionnant, c'est que nous pouvons appliquer ces matériaux à de nombreux systèmes, nous aidant à mieux comprendre les détails du processus catalytique et nous rapprochant un peu plus des enzymes artificielles."