Des scientifiques du Centre de recherche sur les matériaux (MRC) de l’Institut indien des sciences (IISc) ont développé un nouveau type d’enzyme mimétique capable de dégrader efficacement les produits chimiques toxiques présents dans les eaux usées industrielles en présence de la lumière du soleil.
Les enzymes sont des protéines qui catalysent la majorité des réactions biologiques dans les systèmes vivants. Cependant, l’utilisation pratique des enzymes naturelles est grandement entravée par certaines limitations inhérentes. Ces limitations incluent la sensibilité à la dénaturation (panne/dommages), les procédures de production complexes, les coûts élevés et les difficultés de recyclage, explique Subinoy Rana, professeur adjoint au MRC et auteur correspondant de l’article publié dans À l’échelle nanométrique.
La production massive de ces enzymes est un processus coûteux et long. Par exemple, la laccase, une enzyme naturelle utilisée pour dégrader les phénols dans les industries, est extraite d’un champignon appelé pourriture blanche, mais la quantité d’enzyme produite dépend de la quantité de champignon disponible à un moment donné. « C’est un long processus et il est difficile d’en fabriquer en quantités supérieures à quelques milligrammes », explique Rana. Un autre problème est celui du stockage : la plupart des enzymes naturelles sont sensibles à la température et nécessitent un stockage à des températures plus fraîches, souvent aussi basses que –20°C.
Les mimétiques d’enzymes nanométriques ou « nanozymes » fabriqués en laboratoire peuvent imiter ces enzymes naturelles et surmonter ces défis pratiques.
Dans la présente étude, l’équipe IISc a synthétisé une nanozyme contenant du platine appelée NanoPtA, qui peut être convertie en poudre pour un usage industriel. Il imite la fonction des oxydases, des enzymes naturelles qui éliminent l’hydrogène des substrats en présence d’oxygène pour donner de l’eau. Ce nanozyme est non seulement très spécifique dans la dégradation de certains substrats, mais il est également robuste car il peut résister à une gamme de changements de pH et de température.
Lorsque le NanoPtA entre en contact avec les eaux usées, les cycles benzéniques et les longues chaînes alkyles présents dans la molécule forment de multiples interactions non covalentes. Les molécules individuelles de NanoPtA se connectent entre elles pour former des structures en forme de ruban qui commencent à émettre de la lumière, ce qui est à l’origine de sa capacité oxydante. Le nanozyme peut alors dégrader les polluants présents dans les eaux usées en les oxydant en présence de la lumière du soleil, réduisant ainsi la toxicité des eaux usées.
L’équipe a testé l’effet du nanozyme sur les effluents courants qui polluent l’eau, comme les phénols et les colorants. Ils ont découvert qu’il pouvait dégrader même de petites quantités (micromolaires) de phénols et de colorants en dix minutes lorsqu’il était exposé au soleil. Les chercheurs ont également découvert que le complexe NanoPtA était assez stable et durait jusqu’à 75 jours à température ambiante. « Les protéines sont généralement conservées à –20°C ou 4°C, mais dans ce cas, elles peuvent être conservées à température ambiante », explique Rana. En fait, le NanoPtA est resté stable pendant plus de six mois à température ambiante, ont découvert les chercheurs.
L’équipe estime que le nanozyme est non seulement utile pour décomposer les polluants toxiques, mais peut également avoir des applications dans le domaine des soins de santé. Ils ont testé sa capacité à oxyder les neurotransmetteurs comme la dopamine et l’adrénaline. Lorsqu’elles sont oxydées, ces molécules présentent un changement de couleur en solution, qui peut ensuite être utilisé pour mesurer leur concentration.
« C’est important parce que ces neurotransmetteurs sont associés à la maladie de Parkinson, à la maladie d’Alzheimer et à l’arrêt cardiaque », explique Rohit Kapila, premier auteur et Ph.D. étudiant au MRC, IISc. La mesure de ces neurotransmetteurs à l’aide de ces nanozymes peut potentiellement constituer un outil de diagnostic utile pour les maladies neurologiques et neurodégénératives, ajoute-t-il.
À l’avenir, les chercheurs prévoient de breveter le nanozyme, car ils pensent qu’il peut être facilement fabriqué en grande quantité à l’échelle industrielle. Le groupe de Rana étudie également des alternatives métalliques moins coûteuses au platine dans le complexe nanozyme.
Plus d’information:
Rohit Kapila et al, Activité de type oxydase spécifique dépendante de la lumière d’un nanozyme Pt (ii) auto-assemblé pour l’assainissement de l’environnement, À l’échelle nanométrique (2023). DOI : 10.1039/D3NR02081A