Il est bien connu en physique et en chimie que des charges égales se repoussent, tandis que des charges opposées s'attirent. On a longtemps supposé que ce principe s'appliquait également lorsque les enzymes - les catalyseurs biologiques de tous les organismes vivants - forment ou rompent des liaisons chimiques. On pensait que les enzymes placent des charges dans leurs "centres actifs", là où les réactions chimiques ont lieu, de telle manière qu'elles repoussent des charges similaires des autres molécules qui les entourent. Ce concept est connu sous le nom de "contrainte électrostatique". Par exemple, si le substrat (la substance sur laquelle agit l'enzyme) porte une charge négative, l'enzyme pourrait utiliser une charge négative pour « stresser » le substrat et ainsi faciliter la réaction. Cependant, une nouvelle étude de l'Université de Göttingen et de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires de Göttingen a maintenant montré que, contrairement aux attentes, deux charges égales ne conduisent pas nécessairement à la répulsion, mais peuvent provoquer une attraction dans les enzymes. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Catalysis .

L'équipe a étudié une enzyme bien connue qui a fait l'objet d'études approfondies et qui est un exemple classique de catalyse enzymatique. Sans l'enzyme, la réaction est extrêmement lente :en effet, il faudrait 78 millions d'années pour que la moitié du substrat réagisse. L'enzyme accélère cette réaction de 10 ¹⁷ fois, simplement en positionnant les charges négatives et positives au centre actif. Étant donné que le substrat contient un groupe chargé négativement qui est séparé en dioxyde de carbone, on a supposé pendant des décennies que les charges négatives de l'enzyme servaient à stresser le substrat, qui est également chargé négativement, et à accélérer la réaction. Cependant, ce mécanisme hypothétique est resté non prouvé car la structure de la réaction était trop rapide pour être observée.

Le groupe du professeur Kai Tittmann du Centre de Göttingen pour les biosciences moléculaires (GZMB) a maintenant réussi pour la première fois à utiliser la cristallographie des protéines pour obtenir un instantané structurel du substrat peu avant la réaction chimique. De manière inattendue, les charges négatives de l'enzyme et du substrat ne se repoussent pas. Au lieu de cela, ils partageaient un proton, qui agissait comme une sorte de colle moléculaire dans une interaction attractive. "La question de savoir si deux charges égales sont amies ou ennemies dans le contexte de la catalyse enzymatique a longtemps été controversée dans notre domaine, et notre étude montre que les principes de base du fonctionnement des enzymes sont encore loin d'être compris", déclare Tittmann. . Les structures cristallographiques ont été analysées par le professeur de chimie quantique Ricardo Mata et son équipe de l'Institut de chimie physique de l'Université de Göttingen. "Le proton supplémentaire, qui a une charge positive, entre les deux charges négatives n'est pas seulement utilisé pour attirer la molécule impliquée dans la réaction, mais il déclenche une cascade de réactions de transfert de protons qui accélèrent encore la réaction", explique Mata.

"Nous pensons que ces principes nouvellement décrits de la catalyse enzymatique aideront au développement de nouveaux catalyseurs chimiques", déclare Tittmann. "Étant donné que l'enzyme que nous avons étudiée libère du dioxyde de carbone, le gaz à effet de serre le plus important produit par les activités humaines, nos résultats pourraient aider à développer de nouvelles stratégies chimiques pour la fixation du dioxyde de carbone." + Explorer plus loin

Catalyseurs enzymatiques hybrides synthétisés par une approche de novo pour l'expansion de la biocatalyse