Projet ANR-10-BIOE-0003 – BIOPAC : Biocatalyseur d'oxydation de l'hydrogène pour les piles à combustible
Programme : Bioénergies (Bio-E)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Elisabeth Lojou (CNRS - DR PROVENCE ET CORSE)
Partenaires : Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse; Laboratoire de Biochimie Théorique; Bioénergétique et Ingénierie des Protéines; Laboratoire de Chimie de l'Environnement
Montant : 650745.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Biomolécules comme catalyseurs d’oxydation de l’hydrogène dans des procédés type pile à combustibleQuels supports conducteurs pour l’immobilisation fonctionnelle de biocatalyseurs d’oxydation de l’hydrogène ?Le projet BIOPAC se propose d’utiliser ces hydrogénases comme catalyseurs de piles à combustible. L’un des enjeux est de déterminer les bases moléculaires d’une immobilisation efficace de l’enzyme sur un support conducteur approprié.
Immobilisation fonctionnelle d’une hydrogenase tolérante à O2, CO et T° pour une biopile H2/O2La plupart des hydrogénases caractérisées à ce jour présentent une forte sensibilité à l’oxygène. BIOPAC repose sur l’utilisation d’hydrogénases extraites de bactéries extrémophiles, qui possèdent une tolérance naturelle à O2, mais aussi au CO et à la température. Ces enzymes deviennent ainsi des catalyseurs très attractifs pour une utilisation en pile à combustible, en remplacement des catalyseurs chimiques, chers et peu spécifiques, dès lors que leur immobilisation fonctionnelle sur des électrodes est optimisée.Ce type de biopile n’est cependant pas encore développée car de nombreux challenges subsistent, que BIOPAC se propose d’explorer. En particulier, afin d’augmenter les densités de courant et les puissances susceptibles d’être délivrées par la future biopile, le contrôle de l’orientation de l’enzyme à l’électrode, ainsi que l’augmentation du nombre d’enzymes électriquement connectées doivent être réalisés. Les nouveaux matériaux carbonés synthétisés et caractérisés, associés à une modélisation de l’immobilisation orientée de l’enzyme purifiée, doivent permettre de déterminer les bases moléculaires nécessaires pour augmenter les transferts d’électron interfaciaux dans des électrodes volumiques.
Modélisation et approche électrochimique de l’immobilisation orientée de l’hydrogénase sur supports carbonés mésoporeux conducteursLe projet BIOPAC a développé une stratégie interdisciplinaire associant chimistes théoriques, chimistes des matériaux et bioélectrochimistes, pour la modélisation, la définition puis l’optimisation des paramètres physico-chimiques et structuraux qui contrôlent l’interaction entre une hydrogénase résistante à l’oxygène et au CO et un support conducteur pour une oxydation efficace de l’hydrogène. La modélisation des interactions hydrogénase-électrode a permis de définir les modifications à apporter au support conducteur pour une catalyse efficace. De nouveaux matériaux carbonés de porosité contrôlée ont été développés et caractérisés pour une augmentation de la quantité d’enzymes actives électriquement connectées. Le contrôle des paramètres qui régissent l’immobilisation a permis de définir une bioanode basée sur l’immobilisation de l’enzyme sur des matériaux carbonés poreux pour une application en biopile H2/O2.
Résumé de la soumission : Dans le cadre d’une économie « verte » basée sur l'hydrogène comme nouveau vecteur d’énergie, de nouvelles technologies novatrices et en rupture avec les technologies existantes sont indispensables. Le monde microbien peut être source d’inspiration. La réaction de conversion de l’hydrogène en protons est effectivement énergétiquement cruciale dans le cycle énergétique microbien. Les enzymes clés de ces processus sont les hydrogénases, qui catalysent avec de très forts rendements la réaction réversible de conversion de l’hydrogène en protons. L'utilisation de ces biocatalyseurs dans des procédés type pile à combustible, en remplacement des catalyseurs chimiques, coûteux, peu spécifiques, faiblement disponibles et facilement inhibés est particulièrement novateur et attractif. L'exploitation d’hydrogénases extraites de bactéries extrémophiles, très spécifiques et susceptibles d'être résistantes sous diverses conditions extrêmes (T°, pH, présence d’oxygène et d’inhibiteurs comme le CO) sera un atout majeur pour le développement de processus biotechnologiques. Dans cet objectif, de nouvelles stratégies dans lesquelles les enzymes sont couplées plus étroitement aux électrodes sont aujourd’hui nécessaires. Pour développer une efficacité optimale, la plupart des systèmes biologiques développent une organisation spatiale des protéines et enzymes parfaitement contrôlée. Orientation spécifique de l'enzyme, interactions avec les partenaires physiologiques, implication dans des complexes biologiques très structurés à l’échelle moléculaire, et le plus souvent interactions avec les membranes lipidiques, impliquent des modifications de l’interface électrochimique afin de créer un environnement mimétique favorable au transfert d’électrons.  Un des défis majeurs est de concevoir des électrodes où propriétés et réactivité de l'enzyme immobilisée soient similaires à celles de la protéine dans son environnement physiologique. Nous proposons dans le projet BIOPAC d'étudier de nouveaux procédés pour l'immobilisation d'hydrogenases extrémophiles, avec comme questionnements principaux : (i) quelles hydrogénases choisir pour une résistance et stabilité accrues, (ii) comment assurer le transfert efficace d'électron entre l’interface électrochimique et l’enzyme, et en particulier comment contrôler l’orientation de l’enzyme à l’électrode afin d’éviter l’utilisation de médiateurs redox, (iii) comment atteindre et contrôler de fortes concentrations volumiques en enzymes, (iv) comment augmenter la stabilité de l'enzyme immobilisée. Pour répondre à ces questions, BIOPAC se propose d'étudier l'immobilisation d'hydrogénases extraites de bactéries hyperthermophiles en vue de l'oxydation catalytique de l'hydrogène. Les cinétiques de transfert d'électrons seront dans un premier temps étudiées sur des électrodes analytiques planes. La modification chimique de ces électrodes et/ou de l'enzyme, couplée à une modélisation de l'enzyme, sera mise en oeuvre afin d'optimiser le transfer d'électrons interfacial et de mimer l'environnement physiologique de l'enzyme. L'influence de matériaux carbonés de plus grande surface développée et de porosité contrôlée sur l'immobilisation de l'enzyme et l'efficacité de la réaction catalytique sera ensuite étudiée. Des electrodes biocomposites seront finalement designées en vue d'une intégration dans des bancs de test de piles à combustible.Les expertises et la complémentarité de nos quatre groupes, BIP, IS2M, LCP et LBT dans le choix, la caractérisation et l'électrochimie des hydrogénases ainsi que la recherche de pointe dans le domaine des matériaux poreux seront des atouts essentiels pour parvenir à ces objectifs.
Résultats : Un biocatalyseur enzymatique (hydrogénase) actif pour l’oxydation de H2 sur une large gamme de température, et présentant des propriétés essentielles de tolérance à l’oxygène et au CO a été identifié et produit. Sa modélisation par dynamique moléculaire a permis de définir les paramètres physico-chimiques propres à une immobilisation fonctionnelle sur électrodes analytiques. L’étude fine de son incorporation dans un réseau mésoporeux de nanofibres de carbone optimisées a conduit à une augmentation d’un facteur 100 des densités de courant pour l’oxydation de H2. Un premier prototype de biopile H2/O2, le premier en France et le second au monde, a pu être réalisé, délivrant des densités de puissance de plusieurs centaines de µW/cm2. Les partenaires du projet sont ainsi devenus leaders dans le domaine des biopiles et sont amenés à communiquer sur le sujet à la fois au sein de la communauté scientifique mais aussi auprès d’un plus large public
Perspectives : Le projet BIOPAC a permis de dégager les principaux facteurs qui limitent l’immobilisation fonctionnelle des enzymes en particulier membranaires, résultats essentiels qui auront des retombées sur tout procédé utilisant des enzymes (biopile, mais aussi bioréacteur, biocapteurs…). D’un point de vue fondamental, il ouvre des perspectives quant à la compréhension du fonctionnement des enzymes en milieu structuré. 
Les données obtenues en modélisation fournissent une première base - encore incomplète - pour rationaliser le transfert d'électrons et maitriser l'immobilisation d'enzymes sur les surfaces d'électrodes. Un couplage entre électrochimie et spectroscopie s’avère maintenant essentiel pour affiner les modèles d’immobilisation orientée des enzymes. 
BIOPAC constitue une base solide pour crédibiliser à terme les procédés type biopile H2/O2. L’augmentation et la stabilisation des densités de puissance passeront par la modélisation du transfert de masse au sein de matériaux fonctionnalisés de porosité adaptée, et par le couplage entre spectroscopies de surface et électrochimie pour contrôler l’activité spatio-temporelle de l’enzyme.
Publications et brevets : Au total 19 publications découlant directement du projet ont été publiées dans des journaux de rang A de fort impact, et sont déjà citées par la communauté scientifique. Les papiers multipartenaires décrivent le contrôle de l’orientation de l’hydrogénase associé à une augmentation du transfert d’électron interfacial. Au-delà de la maîtrise du comportement électrochimique de l’enzyme, ils mettent l’accent sur l’apport essentiel de la modélisation et de la connaissance fine des matériaux d’incorporation pour l’obtention des densités de courant catalytique élevées atteintes au cours du projet. Un papier traitant de l’électrode volumique et un second traitant de l’analyse quantitative de l’adsorption des protéines sont en cours d’écriture.
De nombreux papiers issus du projet traitent à la fois de l’influence des détergents nécessaires à la purification de l’enzyme sur le processus d’immobilisation, et du comportement électrochimique de l’hydrogénase sur électrodes analytiques, éventuellement modifiées par des matériaux carbonés commerciaux. Plusieurs revues ont également été publiées qui font référence dans le domaine.
Un papier déjà beaucoup cité par la communauté scientifique décrit la première biopile H2/O2.
A rajouter à ces papiers plus de trente communications lors de congrès scientifiques nationaux et internationaux, dont 13 communications invitées, et des articles de vulgarisation.