Les voies typiques de fabrication de molécules per-deutérées pour la diffusion des neutrons utilisent des méthodes chimiques qui ne conviennent pas aux molécules avec des groupes fonctionnels sensibles, par exemple l'utilisation de catalyseurs métalliques, haute température et haute pression. Par conséquent, La tâche 5.3 du groupe de travail Deutération chimique de SINE2020 a exploré l'utilisation de catalyseurs enzymatiques efficaces, très spécifique à la molécule et génère peu ou pas de sous-produits pendant le processus de deutération.

Les collègues de SINE2020 à l'ESS en Suède et au FZJ en Allemagne se sont penchés sur le polymère d'acide polylactique. La diffusion des neutrons est une méthode idéale pour étudier la structure et les propriétés de l'acide polylactique, mais afin de rendre l'analyse plus facile et plus utile, des formes deutérées du polymère sont nécessaires.

L'acide polylactique est composé de blocs de construction (ou de monomères) d'acide lactique réunis et se présente sous deux formes qui sont des images miroir (ou énantiomères) l'une de l'autre. La biodégradabilité du polymère peut être adaptée en associant un mélange de ces énantiomères, ce qui rend important la disponibilité de versions deutérées des deux énantiomères d'acide lactique.

Anna Leung et Hanna Wacklin-Knecht de l'ESS ont fabriqué des monomères d'acide lactique deutéré à l'aide d'enzymes. Ceux-ci ont ensuite été utilisés par Andreas Raba et Jürgen Allgaier au FZJ et Klaus Beckerle à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle pour fabriquer de l'acide polylactique deutéré.

Faire de l'acide lactique

D'abord, une version deutérée du précurseur pyruvate de sodium a été réalisée, ce qui prend environ 3 jours. Ceci est converti en lactate dans une réaction enzymatique sur environ 10 jours, à l'aide de l'enzyme Lactate déshydrogénase. Il est alors facile de changer le lactate en acide lactique. Les différents énantiomères L et D ont été fabriqués en utilisant une version spécifique de l'enzyme Lactate déshydrogénase dans chaque cas.

Deutération des lipides

La synthèse d'acide lactique n'était pas la seule chose que l'équipe voulait explorer avec des enzymes. Un autre groupe de molécules intéressant à deutériser pour les techniques neutroniques sont les lipides, que l'ILL produit biologiquement.

Pour construire un lipide deutéré, vous créez séparément le groupe de tête et les « pattes » de la molécule, puis vous les assemblez. Cela se fait souvent chimiquement, mais peut-être que les enzymes pourraient s'avérer utiles pour ce processus. Les enzymes pourraient retirer les "jambes" une à la fois et rattacher les versions deutérées prêtes pour les expériences neutroniques.

Anna a commencé à explorer les enzymes phospholipases pour cette tâche. Cependant, Ce n'était pas facile. Oliver Bogojevic a rejoint le projet en 2018, apporter des connaissances sur la structure et la fonction des enzymes et une expérience de travail avec la manipulation d'enzymes. Toujours, les enzymes sont des choses difficiles à travailler et Anna et Oliver apprenaient constamment des choses par essais et erreurs. Les enzymes étaient facilement dénaturées par des températures élevées ou des changements de pH et ils ont découvert que certaines enzymes ont une spécificité de substrat très étroite tandis que d'autres acceptent une large gamme de substrats. Les réactions nécessitaient une surveillance constante et il était difficile de savoir analyser les produits en termes de pureté.

Il était également compliqué d'augmenter l'échelle de production pour faire de plus grandes quantités, par exemple. jusqu'à 100 mg de composé perdeutré. C'est parce que si vous avez plus de matériel de départ, les zones interfaciales où se produisent les interactions importantes n'évoluent pas de la même manière, c'est-à-dire que doubler le matériau de départ ne double pas automatiquement la surface disponible. L'équipe a dû explorer des méthodes pour mélanger les réactifs afin d'augmenter les zones d'interface de manière appropriée. Le travail sur ce projet se poursuit; l'équipe ESS DEMAX a proposé des phospholipides deutérés dans son premier appel à propositions, publié plus tôt cette année.

Malgré les défis, cependant, l'utilisation d'enzymes présente de grands avantages. Ils sont très sélectifs, non chimiquement toxique, réutilisables et le nombre d'étapes requises dans un processus de synthèse sont réduits.

Les travaux menés pour SINE2020 ont permis d'établir une méthodologie de catalyse enzymatique, pas seulement pour ces molécules, mais qui devrait être compatible avec un grand nombre d'autres substrats et réactions enzymatiques. Cela contribuera à élargir l'accès des utilisateurs à une large gamme de petites molécules deutérées de grande valeur avec des applications de diffusion des neutrons.