Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz à effet de serre le plus abondant à l’origine du changement climatique, mais il existait sur Terre bien avant que les humains ne commencent à le rejeter dans l’atmosphère à des niveaux sans précédent. Ainsi, certains des premiers organismes de la planète ont évolué pour exploiter et utiliser ce gaz qui est autrement nocif pour les humains et la planète.
L’un de ces processus, appelé la voie Wood-Ljungdahl, ne se produit qu’en l’absence d’oxygène et est considéré comme la voie de fixation du carbone la plus efficace dans la nature. Mais exactement comment la voie procède d’une étape à la suivante n’est pas claire.
Aujourd’hui, des scientifiques de la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie, de l’Université du Michigan, de l’Université Northwestern et de l’Université Carnegie Mellon ont découvert le fonctionnement interne jusqu’alors inconnu de la voie Wood-Ljungdahl.
Leurs conclusions, publiées dans le Journal de l’American Chemical Society le mois dernier, non seulement a fait la lumière sur l’une des plus anciennes réactions chimiques sur Terre, mais pourrait également conduire à l’amélioration des techniques de capture du carbone pour les efforts d’atténuation du changement climatique.
« Avant cette étude, nous savions que pour que la voie Wood-Ljungdahl génère du carbone à utiliser par les organismes, elle commence par le dioxyde de carbone », a déclaré Macon Abernathy, chercheur associé au SSRL et co-auteur de l’étude. « Ensuite, il convertit le CO2 en monoxyde de carbone et en un groupe méthyle et, grâce à une sorte de magie chimique, les fusionne en une forme de carbone qui peut être utilisée par l’organisme. »
Pendant des années, les scientifiques ont postulé que la voie fonctionne à travers une série d’intermédiaires organométalliques à base de nickel, qui forment des liaisons métal-carbone. Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur un complexe de deux protéines nickel-fer-soufre, appelées CO déshydrogénase et acétyl-CoA synthase (CODH/ACS), qui sont les principales enzymes qui catalysent la conversion du dioxyde de carbone en énergie et en carbone structurel pour la construction. parois cellulaires et protéines.
Mais confirmer cette hypothèse s’avère délicat car le complexe enzymatique doit être purifié dans une atmosphère dépourvue d’oxygène, comme celle de la Terre primitive il y a 4 milliards d’années lorsque ces protéines et cette voie ont émergé. De plus, les composés intermédiaires sont souvent instables et la réaction peut rapidement devenir inactive. De plus, la présence d’autres atomes de nickel et de fer dans la CODH interfère avec l’étude de l’ACS, la cible de cette étude.
Pour contourner ces défis, les chercheurs ont développé une version plus active de la protéine, uniquement ACS, sans CODH, et ont utilisé des rayons X à SSRL pour comprendre ses métaux et leur fonctionnement à l’intérieur de l’enzyme. L’équipe a appliqué la spectroscopie à rayons X, une technique dans laquelle les scientifiques étudient l’interférence de la lumière qui est absorbée par, libérée puis renvoyée aux métaux dans un complexe – ici l’ACS – pour identifier les liaisons chimiques changeantes au fur et à mesure que les réactions se produisent. .
En bref, les scientifiques ont confirmé leur hypothèse de longue date.
« Ce que nous avons découvert, c’est qu’il existe une chimie organométallique très complexe où un seul site de nickel dans l’enzyme fait tout ce qui est amusant », a déclaré Ritimukta Sarangi, scientifique principal au SSRL et auteur correspondant de l’étude.
L’équipe a appris que bien que l’enzyme ait un groupe de deux nickels liés à quatre atomes chacun de fer et de soufre, la réaction a toujours lieu à un nickel spécifique dans le groupe, a déclaré Steve Ragsdale, professeur à l’Université du Michigan et auteur correspondant. sur l’étude. « Les carbones, tels que le monoxyde de carbone, le groupe méthyle et le groupe acétyle, se lient tous au nickel le plus proche du fer et du soufre, et il est très clair qu’ils ne se lient à aucun des autres métaux. »
Les chercheurs ont également remarqué que la protéine contenant du nickel subit des changements majeurs dans sa structure à chacun des états intermédiaires, a déclaré Ragsdale. « C’est quelque chose qui ne faisait pas vraiment partie de notre hypothèse de départ. Nous pensions simplement que la chimie de base était à base de nickel. Mais ensuite, nous voyons tous ces autres changements qui se produisent dans la protéine, ce qui était un peu surprenant. »
Bien que les chercheurs aient des idées bien arrêtées sur le fonctionnement de la réaction, la voir en action était néanmoins impressionnant, a déclaré Abernathy.
« C’est un réglage si précis de la nature pour arriver à ce système élégant qui fait cette catalyse », a déclaré Sarangi. « J’adore ça, et notre capacité à utiliser la spectroscopie à rayons X, qui est un outil extrêmement puissant pour comprendre ce qui se passe dans la nature. La ressource de biologie moléculaire structurelle de SSRL dispose d’un programme de spectroscopie à rayons X biologiques de premier plan qui permet au l’étude de ces processus biologiques complexes. »
Outre son appréciation de la beauté naturelle de la voie Wood-Ljungdahl elle-même, Ragsdale a déclaré qu’il espérait que la recherche pour mieux comprendre ces processus naturels, et peut-être améliorer ces processus, pourrait conduire à des méthodes pour atténuer le changement climatique et développer la capture du carbone pour fabriquer des matières premières chimiques. et carburants. « Je pense que nous devons d’abord comprendre la biochimie de base derrière le processus », a-t-il déclaré, « avant de pouvoir progresser dans l’amélioration de certaines de ces voies telles qu’elles existent dans la nature ».
Plus d’information:
Mehmet Can et al, Caractérisation des intermédiaires méthyl- et acétyl-Ni dans l’acétyl-CoA synthase formée pendant la fixation anaérobie du CO2 et du CO, Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c01772