Les micro-organismes utilisent depuis longtemps l’hydrogène comme source d’énergie. Pour ce faire, ils s’appuient sur des hydrogénases qui contiennent des métaux dans leur centre catalytique. Afin d’utiliser ces biocatalyseurs pour la conversion de l’hydrogène, les chercheurs s’efforcent de comprendre le processus de catalyse.
Une équipe de trois instituts Max Planck (MPI), du centre d’imagerie biostructurale de la neurodégénérescence (BIN) du centre médical universitaire de Göttingen (UMG), de l’université de Kiel et de FACCTs GmbH a utilisé une particularité chimique de l’hydrogène pour amplifier les signaux. de spectroscopie par résonance magnétique. Les scientifiques ont ainsi pu visualiser des étapes intermédiaires jusqu’alors inconnues dans la conversion de l’hydrogène. L’étude est publié dans Catalyse naturelle.
En tant que substitut aux combustibles fossiles, source d’énergie ou catalyseur dans les processus chimiques, l’hydrogène est considéré comme un bon candidat pour une économie énergétique durable. Sur Terre, l’élément se trouve principalement sous forme liée, dans l’eau, sous forme d’hydrogène gazeux ou dans des matières premières fossiles telles que le gaz naturel et le pétrole brut. Pour obtenir de l’hydrogène sous sa forme pure, il doit être séparé du composé chimique en utilisant de l’énergie.
La méthode de production d’hydrogène la plus courante aujourd’hui est le reformage du méthane à la vapeur du gaz naturel. Cependant, cela produit également du dioxyde de carbone (CO₂) nocif pour le climat. Jusqu’à présent, pour la production catalytique d’hydrogène à partir de l’eau, on utilisait principalement des électrodes en platine, un métal précieux. Cela rend la production d’hydrogène par catalyse relativement coûteuse.
De nombreux micro-organismes ont une longueur d’avance sur ces processus de production. Pour séparer l’hydrogène afin de produire de l’énergie, ils utilisent trois types différents d’hydrogénases qui fonctionnent sans métaux précieux et ne rejettent pas de CO2 : [NiFe] les hydrogénases d’archées et de bactéries, [FeFe] hydrogénases provenant de bactéries, de certaines algues et de certaines archées anaérobies, ainsi que [Fe] hydrogénases trouvées uniquement dans les archées.
Ces derniers jouent un rôle clé dans la méthanogenèse, dans laquelle le CO2 est réduit en méthane (CH4). L’homodimère [Fe] l’hydrogénase contient un fer (Fe) rédox-inactif par sous-unité, qui est lié à un cofacteur guanylylpyridinol.
Alors que les intermédiaires du cycle catalytique de [NiFe] les hydrogénases et [FeFe] les hydrogénases ont déjà été bien étudiées, les intermédiaires catalytiques de [Fe] les hydrogénases n’étaient pas observables – jusqu’à présent. Une équipe de recherche a maintenant réussi à détecter les intermédiaires dans le [Fe]-cycle de catalyse des hydrogénases pour la première fois.
L’équipe était dirigée par Stefan Glöggler (Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires (MPI-NAT) et le Centre d’imagerie biostructurale de la neurodégénérescence (BIN) du centre médical universitaire de Göttingen (UMG), Lukas Kaltschnee (MPI-NAT et BIN de l’UMG). , actuellement à la TU Darmstadt), Christian Griesinger (MPI-NAT) et Seigo Shima (MPI pour la microbiologie terrestre), et figuraient des collègues du MPI für Kohlenforschung, de l’Université de Kiel et de FAccTs GmbH.
Les chercheurs ont exploité le fait que l’hydrogène se présente sous forme de parahydrogène et d’orthohydrogène, en fonction de sa spin nucléaire. Les chercheurs ont montré que la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire entraîne une amplification du signal lorsque le [Fe] l’hydrogénase réagit avec le parahydrogène. Cette polarisation dite parahydrogène-induite (PHIP) a permis d’identifier les intermédiaires réactionnels et de visualiser comment les [Fe] l’hydrogénase lie l’hydrogène pendant la catalyse.
Les données des scientifiques indiquent qu’un hydrure se forme au centre du fer lors de la catalyse. La nouvelle méthode a également permis d’étudier la cinétique de liaison. En raison de sa haute sensibilité, PHIP est particulièrement prometteur pour les applications sur les cellules vivantes et pour l’étude du métabolisme de l’hydrogène in vivo. Les résultats pourraient aider à développer des (bio)catalyseurs pour la conversion de l’hydrogène avec une productivité plus élevée à l’avenir.
Plus d’informations :
Lukas Kaltschnee et al, Identification par résonance magnétique améliorée par le parahydrogène des intermédiaires dans le milieu actif [Fe]-catalyse hydrogénase, Catalyse naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41929-024-01262-w. www.nature.com/articles/s41929-024-01262-w