Vers un monde équitable et durable

L'étude a été dirigée par le professeur adjoint Omer Yehezkeli et l'étudiant en doctorat Oren Bachar, et cosignée par l'étudiant en doctorat Matan Meirovich et l'étudiante en maîtrise Yara Zeibaq. La revue Angewandte Chemie International Edition, qui a publié l'étude, l'a désignée comme "hot paper".

"Mon groupe de recherche s'occupe de l'interface entre l'ingénierie et la biotechnologie à l'échelle nanométrique", explique le professeur Yehezkeli. "Notre objectif est d'estomper les frontières actuelles entre les différentes disciplines et surtout entre les matériaux nanométriques et les systèmes biologiques tels que les bactéries. Dans nos recherches, nous utilisons les propriétés uniques des particules à l'échelle nanométrique d'une part, et l'énorme sélectivité des systèmes biologiques d'autre part, pour créer des systèmes bioniques qui fonctionnent en synergie."

Les particules semi-conductrices à l'échelle nanométrique sont généralement produites par des procédés chimiques qui nécessitent des températures élevées et des solvants organiques. Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont pu créer, à l'aide de protéines modifiées, un environnement qui permet la croissance de particules nanométriques dans des conditions biologiques et à température ambiante. À leur tour, les nanoparticules cultivées peuvent conduire à des processus de composants biologiques induits par la lumière.

"L'utilisation de protéines modifiées pour l'auto-croissance de nanomatériaux est une stratégie prometteuse qui ouvre de nouveaux horizons scientifiques pour combiner matière inanimée et matière vivante", a déclaré le professeur Yehezkeli. "Dans l'étude actuelle, nous avons démontré l'utilisation de protéines modifiées pour faire croître des nanoparticules de CdS capables de recycler le NADPH grâce au rayonnement lumineux. Le NADPH est crucial dans de nombreux processus enzymatiques et sa génération est donc souhaitée."

Les enzymes sont un composant biologique commun impliqué dans toutes les fonctions des cellules vivantes. Il s'agit de structures protéiques qui entraînent des actions souhaitables en créant un environnement biochimique approprié. Des milliards d'années d'évolution ont conduit au développement d'un large spectre d'enzymes responsables des fonctions nombreuses et variées de la cellule.

Dans leur étude, les chercheurs ont montré que le NADPH pouvait être produit (recyclé) en utilisant la protéine SP1 génétiquement modifiée. Cette protéine est composée de 12 sous-unités répétitives qui forment une structure en forme de "beignet" avec un "trou" de 3 nanomètres (3 milliards de mètres de diamètre). À l'aide d'outils d'ingénierie biotechnologique, les chercheurs ont modifié les sous-unités de manière à permettre la croissance d'une particule nanométrique dans la cavité de la protéine. La particule résultante peut être déclenchée par la lumière pour induire un flux d'électrons. Ces électrons sont ensuite utilisés pour l'activation redox des enzymes en vue de la production de produits chiraux. Les substances chirales sont des molécules qui ont une molécule "miroir" - la même molécule, mais dans le sens opposé. De nombreux processus naturels, tant dans le corps humain que dans d'autres formes de vie, par exemple dans les bactéries, sont chiraux ; une seule forme sera catalysée par le processus biologique souhaité, tandis que la molécule "miroir" ne le sera pas. Dans certains cas, les molécules miroir peuvent nuire à l'hôte, voire être mortelles. L'industrie pharmaceutique exige généralement un énantiomère pur (la molécule sans le "miroir" conjugué). Les enzymes sont d'excellents catalyseurs à cet égard, car elles sont également chirales pour la plupart et produisent des substances chirales pures. Le système hybride nano-bio développé, qui se compose d'enzymes et de nanoparticules, fonctionne sous la lumière visible pendant au moins 22 heures pour produire un produit chiral propre (plus de 99 %), et avec une efficacité de conversion du substrat atteignant 82 %.

"Il s'agit d'une démonstration préliminaire de la connexion directe de la matière inanimée (abiotique) avec la matière vivante (biotique) et d'une plateforme pour son fonctionnement d'une manière qui n'existe pas dans la nature", a déclaré le professeur Yehezkeli. "La technologie que nous avons développée permet la création de composants hybrides qui relient ces deux types de matériaux en une seule unité, et nous travaillons déjà sur des cellules vivantes entièrement intégrées avec des premiers résultats prometteurs. Nous pensons qu'au-delà du succès technologique spécifique de la production de NADPH et de la production de matériaux chiraux, il existe des preuves de la faisabilité d'un nouveau paradigme qui pourrait contribuer grandement à l'amélioration des performances dans de nombreux domaines, notamment l'énergie, la médecine et l'environnement."

Le professeur adjoint Omer Yehezkeli est membre de la faculté de biotechnologie et d'ingénierie alimentaire et membre de l'Institut de nanotechnologie Russell Berrie (RBNI) et du Programme énergétique Nancy et Stephen Grand Technion (GTEP). L'article a bénéficié du soutien du ministère de l'énergie, de l'Institut de nanotechnologie Russell Berrie et du Grand Technion Energy Program.

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