Grâce à une nanomembrane conçue sur mesure, ils ont réussi à rapprocher les molécules à convertir des enzymes, augmentant ainsi considérablement la vitesse de réaction. Le nouveau procédé pourrait être utilisé, entre autres, pour la production durable de phosphate. Le groupe de travail présente ses résultats dans la revue Nature Communications .

Les enzymes sont des biocatalyseurs qui peuvent être utilisés pour produire des produits chimiques de manière respectueuse de l'environnement et économe en énergie. Cependant, le processus ne permet pas toujours de les utiliser efficacement. L'un des concepts est celui des réacteurs à flux continu. Ils sont constitués de petits canaux aux parois desquels adhèrent les enzymes. Lorsqu'une solution s'écoule par ces canaux, les molécules contenues dans la solution peuvent s'ancrer sur les biocatalyseurs afin de réagir avec leur aide pour former le produit souhaité.

Jusqu’à présent, ces réacteurs n’ont pas fonctionné de manière optimale, car ils sont généralement dotés de canaux de taille millimétrique – les enzymes, en revanche, sont de taille nanométrique. En conséquence, de nombreuses molécules qui les traversent n'entrent même pas en contact avec les biocatalyseurs et n'ont donc aucune possibilité de réaction chimique.

Amortisseur pour enzymes

Pour résoudre ce problème, le groupe de travail a utilisé une membrane spéciale développée au Helmholtz-Zentrum Hereon à Geesthacht. "Cette membrane est créée par l'auto-assemblage de copolymères blocs", explique le Dr Volker Abetz, directeur de l'Institut Hereon de recherche sur les membranes et professeur de chimie physique à l'Université de Hambourg. "Leur surface présente une haute densité de pores cylindriques de taille égale." Ce sont des minuscules, avec un diamètre de seulement 50 nanomètres. Sous la surface se trouve une structure poreuse plus ouverte constituée du même copolymère bloc.

Les scientifiques ont utilisé une molécule auxiliaire spécialement conçue – une sorte de peptide adhésif – pour relier ces parois de pores avec des enzymes. "Il se lie d'un côté à la paroi des pores et de l'autre à l'enzyme", explique le Dr Ulrich Schwaneberg, professeur de biotechnologie à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle et membre de la direction scientifique de l'Institut Leibniz pour les matériaux interactifs. "Le peptide agit comme une sorte d'amortisseur qui maintient à tout moment l'enzyme à une certaine distance de la paroi des pores."

L'équipe a utilisé une enzyme appelée phytase pour son prototype. Il provoque la décomposition du phytate, un composé contenant du phosphore que l'on retrouve entre autres dans les céréales. En pratique, l’enzyme phytase est ajoutée à l’alimentation animale par exemple. Cela favorise la libération de phosphate biogénique, qui peut ensuite être utilisé comme engrais durable.

Test d'endurance réussi

"Le prototype de notre réacteur à flux a une conception relativement simple", explique le Dr Zhenzhen Zhang, chercheur à Hereon. "La membrane a à peu près la taille d'une feuille de papier, plus un système qui permet à la solution de phytate de s'écouler à travers la membrane."

En conséquence, grâce aux pores étroits densément remplis d’enzymes, environ mille fois plus de molécules de phytate pourraient être converties en phosphate que dans les réacteurs à flux continu précédents – un rendement remarquable. Il était également utile que les pores de la membrane soient chargés électriquement positivement et que les molécules de phytate soient chargées négativement. Les forces d'attraction qui en résultent contribuent également à mettre les molécules en contact avec les enzymes.

"Nous avons testé la membrane pendant 30 jours et elle a très peu perdu de son efficacité", explique Zhang. "Il devrait certainement être possible de faire évoluer notre réacteur à l'échelle industrielle." Comme le procédé Hereon peut également être utilisé pour produire des membranes avec des pores plus petits ou plus grands, il devrait également être possible d'équiper le réacteur avec d'autres enzymes qui pourront ensuite accélérer d'autres réactions chimiques.

Cependant, il reste encore des questions sans réponse à clarifier. "Nous n'avons pas encore compris en détail comment se forment les structures membranaires", explique Abetz. "Si nous réussissons, nous espérons pouvoir produire les pores cylindriques de la membrane de manière beaucoup plus ciblée qu'auparavant."