Une nouvelle nanocage de ferritine hybride avec des résidus d'histidine montre une absorption d'ions métalliques 1,5 fois plus élevée et une efficacité catalytique améliorée pour la production d'alcool, selon des chercheurs de Tokyo Tech dans une nouvelle étude. Leurs découvertes suggèrent que les bio-nanocages hybrides pourraient catalyser efficacement les réactions pour produire des produits importants sur le plan industriel.

Les polymères biologiques peuvent s'auto-assembler spontanément en structures complexes qui ressemblent à des vaisseaux ou à des cages, mais sont beaucoup plus petites et sont appelées "nano-cages". Ces structures peuvent accueillir un large éventail de molécules à l'intérieur qui se comportent comme des "invités". Un exemple populaire est la "nanocage de ferritine", qui est formée par l'auto-assemblage de 24 sous-unités dans la protéine ferritine et peut contenir des ions métalliques qui sont des catalyseurs importants. Avec l'aide de ces ions métalliques, une réaction catalytique convertit n'importe quel substrat en un produit. Bien que largement connues, les applications potentielles de la cage de ferritine dans l'industrie n'ont pas encore été pleinement explorées.

Jusqu'à présent, la plupart des efforts pour augmenter l'absorption d'ions métalliques dans la ferritine ont abouti à des cages avec une faible stabilité. Pour que "l'invité" soit bien assis dans la cage, une conception efficace est la clé. Gardant cela à l'esprit, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Takafumi Ueno, de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon (Tokyo Tech), a introduit des mutations spécifiques au site au cœur de la nanocage de ferritine et a augmenté son absorption du complexe d'iridium (IrCp* ). Leurs découvertes sont publiées dans Angewandte Chemie . L'iridium est un catalyseur essentiel dans la voie de production d'alcool et est utilisé commercialement dans les industries pharmaceutique, alimentaire et chimique.

Le professeur Ueno explique :« Sur la base de la littérature précédente, nous savions que la présence d'acides aminés de coordination dans la cage améliore l'activité de l'iridium, et que le remplacement de ces acides aminés par des résidus appropriés pourrait atténuer le problème. Étant donné que le complexe d'iridium se comporte comme un catalyseur, la coordination les résidus feraient l'affaire." Les auteurs ont utilisé l'histidine, un acide aminé, pour remplacer deux résidus, l'arginine et l'acide aspartique des cages de ferritine régulières (type sauvage) et créer les mutants R52H et D38H. Remarquablement, la structure d'assemblage ou la taille de la cage n'ont pas été affectées par ces changements.

Ensuite, ils ont ajouté IrCp * aux mutants et ont découvert que R52H était capable d'intégrer 1,5 fois plus d'atomes d'iridium que la cage de type sauvage (Figure 1). Mais ce qui les a frappés, c'est le mutant D38H, qui se comportait exactement comme le type sauvage. Alors, pourquoi les deux mutations n'ont-elles pas eu le même effet ? Selon le professeur Ueno, "Cela implique que ce n'est pas seulement la présence du résidu d'histidine mais aussi sa position qui est cruciale pour déterminer l'efficacité de l'absorption dans la cage."

En utilisant les nouvelles cages catalytiques, les chercheurs ont pu atteindre des taux de production d'alcool aussi élevés que 88 %. De toute évidence, les mutations ont favorisé un réarrangement structurel des composants de la réaction, ce qui a amélioré le taux de conversion (Figure 2).

Pour comprendre comment le substrat se comportait à l'intérieur de la cage, les chercheurs ont utilisé des simulations dans lesquelles les molécules du substrat pouvaient se déplacer librement dans la nanocage. Ils ont observé certaines interactions entre le substrat et l'histidine dans le mutant R52H, qui n'étaient pas présentes dans la cage de type sauvage, c'est-à-dire que le substrat a montré une liaison préférentielle dans la nanocage.

"Ces bio-nanocages hybrides se sont également avérés très stables, ce qui suggère qu'ils pourraient être utilisés comme catalyseurs viables dans des applications industrielles", conclut le professeur Ueno. La conception actuelle basée sur la structure de la recherche sur les sites de liaison des ions métalliques pourrait être avancée pour créer de nouveaux mutants de ferritine avec une absorption sélective de molécules invitées spécifiques, pour des applications catalytiques variées dans l'industrie chimique et pharmaceutique. + Explorer plus loin

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