Une équipe de chercheurs pionniers du Centre for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) a fait un grand pas en avant dans le monde complexe de la chimie moléculaire.

Leur objectif ? Les azaarènes, des pièces de puzzle moléculaires uniques essentielles à de nombreux produits du quotidien, des produits agrochimiques respectueux de l'environnement aux médicaments essentiels. L'équipe CABBI a démontré une manière innovante de modifier ces molécules, une découverte révolutionnaire prometteuse pour de nouvelles réactions chimiques industriellement pertinentes et des solutions énergétiques durables.

L’utilisation de systèmes photoenzymatiques est au cœur de leurs recherches. En termes plus simples, cela revient à suralimenter les minuscules ouvriers de la nature, les enzymes, avec une lampe de poche, leur permettant d'assembler ou de réparer des structures moléculaires de manière sans précédent. En exploitant le pouvoir de la lumière, ces scientifiques ont mis au jour de nouvelles réactions chimiques que l'on pensait auparavant hors de portée.

L'étude, publiée dans Nature Chemistry , a été menée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Les auteurs principaux sont Huimin Zhao, responsable du thème de conversion du CABBI, professeur de génie chimique et biomoléculaire (ChBE), responsable du thème de conception de biosystèmes à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique (IGB) et directeur du NSF Molecule Maker Lab Institute de l'Illinois.; et Maolin Li, associé de recherche postdoctoral au CABBI, ChBE et IGB.

Les azaarènes, apparemment minuscules dans le vaste univers de la chimie, jouent néanmoins un rôle monumental. Ils sont les éléments constitutifs d’une multitude de composés, influençant même l’ADN de nos cellules. Mais le défi a toujours été dans leur manipulation.

Grâce au développement par l'équipe d'un système ène-réductase (une boîte à outils moléculaire spécialisée utilisant l'enzyme ène-réductase que le laboratoire de Zhao a déployée dans des études précédentes), les chercheurs ont trouvé un moyen de modifier de manière complexe ces molécules sans dommages collatéraux.

L’une des réalisations les plus remarquables de leurs travaux est la maîtrise du transfert énantiosélectif des atomes d’hydrogène. Les molécules se présentent souvent sous forme de versions gauchers et droitiers, ou énantiomères, un peu comme des gants. La méthode de l'équipe leur permet de cibler et d'ajuster sélectivement l'une ou l'autre version avec une précision inégalée. De plus, grâce à la télécommande stéréo, ils pouvaient effectuer ces réglages précis à distance.

Pour le CABBI et le secteur des bioénergies, cette découverte change la donne. Les biocarburants et les bioproduits – énergie et produits dérivés de matières végétales plutôt que de ressources non renouvelables comme le pétrole – représentent un avenir plus vert et plus durable. Les recherches de l'équipe ont élargi la gamme de réactions chimiques et de bioproduits pouvant être fabriqués efficacement.

L'étude a également introduit le concept de photocatalyse asymétrique, une technique révolutionnaire qui garantit la cohérence de ces réactions. Cela peut ouvrir de nouvelles voies pour produire des biocarburants et des bioproduits à partir d'une gamme plus large de matières premières de biomasse, ce qui s'aligne directement sur les objectifs du CABBI et sur la mission plus large du DOE visant à promouvoir des solutions d'énergie et de produits durables.

"Avec notre nouvelle approche des azaarènes et l'utilisation du transfert enzymatique d'atomes d'hydrogène, nous ne repoussons pas seulement les limites de la chimie", a déclaré Zhao. "Nous posons les bases d'un avenir plus durable et innovant. Nos recherches ont élargi la boîte à outils disponible pour une production respectueuse de l'environnement et ont le potentiel de catalyser des percées dans le domaine de l'agrochimie et au-delà."

Au-delà du laboratoire, le potentiel d’applications concrètes est immense, qu’il s’agisse de diriger la charge en matière d’énergie durable ou de lancer des produits chimiques agricoles plus sûrs. Les progrès dans le domaine de la bioénergie et des bioproduits peuvent conduire à une croissance économique, avec de nouvelles industries, emplois et produits pour les consommateurs et des sources d'énergie potentiellement plus abordables. En promouvant des méthodes de production durables et efficaces, la recherche peut réduire la pollution et la dégradation de l'environnement, ce qui se traduira par un air et une eau plus purs pour les communautés.

Alors que le monde est aux prises avec les défis environnementaux et le besoin pressant de solutions durables, des découvertes comme celles-ci éclairent la voie à suivre, a déclaré Li.

"En tant que chercheur postdoctoral sur ce projet, j'ai été profondément immergé dans les subtilités des azaarènes et de leur potentiel. Résoudre les défis du contrôle stéréo à distance et être témoin des possibilités de transformation de nos découvertes a été vraiment exaltant. Cette recherche n'est pas seulement sur les nuances des réactions chimiques ; il s'agit de l'avenir de l'énergie durable et plus encore. Je suis impatient de voir où ce voyage nous mènera ensuite", a déclaré Li.

Plus d'informations : Li, M. et al, Stéréocontrôle à distance avec des azaarènes via un transfert enzymatique d'atomes d'hydrogène, Nature Chemistry (2023). DOI : 10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x

Informations sur le journal : Chimie naturelle

Fourni par l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign