Projet ANR-13-BS07-0015 – MnCaOEC : Complexes hétéronucléaires de manganèse/calcium comme modèles du centre de dégagement d’oxygène du Photosystème II: une étude expérimentale et théorique de leurs propriétés physiques et de leur réactivité
Programme : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Marie-Noëlle Collomb (Département de Chimie Moléculaire / Université Joseph Fourier Grenoble I)
Partenaires : Département de Chimie Moléculaire; MPI - Allemagne Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion - Allemagne
Montant : 145558.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Complexes hétéronucléaires de manganèse/calcium comme modèles du centre de dégagement d’oxygène du Photosystème II : une étude expérimentale et théorique de leurs propriétés physiques et réactivité.Ce projet consiste en une étude expérimentale et théorique étroitement corrélées d'une nouvelle famille de complexes de manganèse/calcium qui est spécifiquement conçue pour répondre aux grands défis actuels: une meilleure connaissance de la structure et du fonctionnement du centre de dégagement de l’oxygène dans le PSII. De telles études fondamentales auront un impact direct sur la recherche en photosynthèse et pourraient ouvrir une voie d’accès à de nouveaux catalyseurs d’oxydation de l'eau.
Conception de nouveaux complexes de Mn/Ca à ligands riches en carboxylates afin d'améliorer la connaissance actuelle du centre de dégagement d’oxygène du PSII et d’accéder à de nouveaux catalyseurs.Le centre de dégagement de l’oxygène (OEC) - un cluster composé de quatre ions manganèse et un ion calcium pontés par des atomes d’oxygène (Mn4CaO5), stabilisé par des ligands carboxylates - catalyse l'oxydation de l'eau à quatre électrons en oxygène moléculaire, en cyclant dans cinq états d'oxydation distincts (S0-S4 du cycle Kok). Des changements structuraux du cluster sont connus pour se produire au cours du cycle catalytique, mais le mécanisme d'oxydation de l'eau au niveau moléculaire est encore loin d'être élucidé, comme la formation de la liaison O-O et le rôle du Ca essentiel à l'activité catalytique. Le nombre de complexes synthétiques hétéronucléaires de Mn-Ca isolé demeure très limité (moins de dix exemples en 2013), ainsi que leurs études en solution (stabilité/réactivité). L’obtention et l’étude de tels complexes sont cependant essentielles pour progresser dans la connaissance de l’OEC et accéder à de nouveaux catalyseurs.Le premier défi scientifique majeur de ce projet est de développer une nouvelle famille de complexes homo- et hétéronucléaires bio-inspirés de Mn/Ca ayant un environnement riche en carboxylate et en ligands aquo, comme dans l'OEC, en synthétisant de nouveaux ligands polydentates à motifs pyridine-carboxylate. Leurs propriétés électrochimiques seront  étudiées en détail afin d’évaluer leur stabilité et leur réactivité via la possibilité de générer des intermédiaires clés de type « Mn-oxo ». Diverses méthodes spectroscopiques de pointe comme l’absorption et l’émission des rayons X du Mn et du Ca (XAS/XES) associées à la chimie théorique en collaboration avec nos partenaires allemands (MPI, Mülheim) permettront l’étude approfondie de la structure électronique des complexes initiaux bien définis et de sonder la structure des intermédiaires clés. XAS et XES encore peu explorées sur l'élément Ca fourniront des données essentielles pour la compréhension de systèmes plus complexes tel que l’OEC et ainsi d’évaluer directement le rôle du Ca.
Synthèse des ligands et complexes, détermination des propriétés électrochimiques, spectroscopiques et calculs de chimie quantique des propriétés spectroscopiques et réactivité.Le projet est divisé en 4 tâches scientifiques bien définies. Les tâches 1-4 seront menées en parallèle et à partir des résultats de ces études, de nouveaux complexes Mn/Ca pourraient être ciblés si nécessaire, et cela conduira naturellement à de nouvelles études électrochimiques, spectroscopiques et théoriques.Tâche 1: Synthèse et caractérisation des ligands et complexes Mn/Ca (Partner 1). Une grande variété de nouveaux ligands polydentates contenant le motif pyridine-carboxylate sera synthétisée pour accéder à une nouvelle famille de complexes homo- et hétéronucléaires Mn/Ca avec une sphère de coordination riche en carboxylate et ligands aquo ou dérivés hydroxo/oxo.Tâche 2: Propriétés électrochimiques (Partner 1). Une étude détaillée des propriétés électrochimiques des complexes Mn/Ca et Mn isolés pour déterminer (i) leur potentiel rédox, mais aussi électrogénérer des états d'oxydation plus élevés/intermédiaires clés oxo (ii) d'identifier l'influence de la présence de l'ion Ca sur les potentiels d'oxydation et sur l'accès à des intermédiaires clés. Tâche 3: Etudes spectroscopiques (Partners 1&2). Des techniques spectroscopiques avancées et complémentaires comme les spectroscopies EPR multi-fréquence et Mn/Ca XAS et XES ainsi que des mesures magnétiques seront utilisées pour étudier de manière approfondie  à l'état solide et/ou en solution les complexes synthétisés (Tâche 1) et des composés intermédiaires obtenus (Tâche 2).L'ensemble de ces techniques devraient fournir des informations uniques sur la structure électronique de l'ensemble des complexes.Tâche 4: Calculs de chimie quantique des propriétés spectroscopiques et réactivité (Partner 2). Les calculs de chimie quantique seront utilisés afin de tirer parti des informations obtenues tâche 3 et établir des corrélations entre les caractéristiques structurales/électroniques spécifiques et les observables spectroscopiques pour les complexes synthétisés (Tâche 1) et les intermédiaires détectés (Tâche 2).
Résumé de la soumission : Le site actif du photosystème II (PSII) également appelé le centre de dégagement de l’oxygène (OEC) – un cluster composé de quatre ions manganèse et ion un calcium pontés par des atomes d’oxygène (Mn4CaO5), stabilisé par des ligands carboxylates - catalyse l'oxydation de l'eau à quatre électrons en oxygène moléculaire. La structure cristalline du PSII récemment publiée à une résolution de 1,9 Å montre pour la première fois la présence de quatre molécules « d’eau » (état de protonation inconnu)) directement liées au cluster (deux sont coordinées au calcium et les deux autres à un manganèse situé à proximité), qui pourraient servir de substrats pour la formation du dioxygène. À ce jour, moins de dix exemples de complexes synthétiques hétéro-nucléaires de manganèse-calcium ont été isolés et leur étude en solution (stabilité / réactivité) demeure très limitée.L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle famille de complexes hétéro-nucléaires de Mn/Ca incorporant des ligands aquo/hydroxo, afin de reproduire synthétiquement, pour la première fois, le motif structural clé « Mn(H2O)-Ca(H2O) » récemment identifié dans l'OEC. Pour accéder à ces complexes bio-inspirés, une famille originale de ligands multidentates incluant des motifs pyridine-carboxylate sera développée. Nos buts sont ensuite : (i) d'effectuer une étude détaillée des propriétés électrochimiques des complexes isolés, (ii)  d'évaluer les possibilités d’électro-générer des intermédiaires clés "Mn-oxo" à haute-valence à partir des ligands aquo initiaux, et (iii) de tester l’aptitude de ces espèces à former une liaison O-O. Diverses méthodes spectroscopiques, incluant la RPE multifréquence (en onde continue (cw) et pulsée),  des techniques de pointe d’absorption et d’émission des rayons X du Mn et du Ca (XAS et XES) associées à la chimie théorique permettront l’étude approfondie de la structure électronique des complexes initiaux bien définis et de sonder la structure des intermédiaires clés (états d'oxydation, protonation des ligands oxygénés terminaux ou pontants, états de spin impliqués) ainsi que les aspects mécanistiques de la formation de la liaison O-O. En outre, le XAS du Ca, technique en grande partie inexplorée, et des mesures XES fourniront des moyens expérimentaux uniques pour évaluer directement le rôle du Ca.Les objectifs ambitieux et fondamentaux de ce projet sont d'améliorer les connaissances actuelles sur les caractéristiques structurales du cluster naturel au cours du cycle catalytique, en particulier les états de protonation des ligands oxygénés, et d'obtenir une meilleure compréhension du mécanisme d'oxydation de l'eau dans le PSII comme la formation de la liaison O-O et le(s) rôle (s) du calcium, requis pour l'activité catalytique.Le consortium de recherche se compose d'un partenaire français, M.-N. Collomb, (UJF, Grenoble (partenaire 1, coordinateur)) et d’un partenaire allemand, F. Neese (partenaire 2, Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion  (MPI, Mülheim)), deux groupes académiques. Un collaborateur français, J. Pécaut (CEA-Grenoble), est aussi impliqué dans le projet pour la caractérisation des complexes par cristallographie aux rayons X.La partie expérimentale liée à la synthèse, l’électrochimie et la cw RPE sera réalisée par le partenaire français. Le partenaire allemand assurera la partie théorique du projet et les études spectroscopiques complémentaires par RPE pulsée, XAS et XES. La complémentarité des partenaires et leur solide collaboration existante apporteront une forte synergie et une valeur ajoutée au projet, et permettront de devancer la concurrence européenne et internationale.
Résultats : Des résultats significatifs ont été obtenus avec la synthèse d’un certain nombre de ligands di- et tripodic originaux ayant un nombre variable d'unités pyridine-carboxylate. A partir de ces ligands et d’autres commerciaux, de nouveaux composés homo- et hétérométalliques de Mn-Ca ont été isolés avec succès, caractérisés par diffraction des rayons X et étudiés en collaboration avec notre partenaire allemand. Les fonctions carboxylate incorporées dans la périphérie des ligands ont facilité, comme attendu, la liaison du Ca à l'unité Mn, ainsi, les rares exemples de Mn(II)-Ca(II) pontés par des carboxylate obtenus, présentent des structures diverses, tetranucléaires Mn2Ca2 et Mn3Ca et dimère MnCa. La plupart des ions Ca2+ et une partie des ions Mn2+ coordinent des ligands aquo, comme dans l’OEC. Dans MnCa, l'ion Ca2+ est coordiné uniquement à 7 atomes d’oxygène semblable au Ca2+ dans l'OEC, alors que dans tous les autres complexes, l'ion Ca2+ est 8-coordiné.
Le grand nombre de complexes bien définis à sphère de coordination variable N/O a déjà été utilisé pour des études Mn et Ca XAS/XES par nos partenaires allemands. L'étude Ca XAS a inclus nos échantillons Ca et Mn/Ca 8-coord ainsi que des clusters Mn3O4Ca et des composés inorganiques de Ca à coordination 6 et 7 provenant de groupes leaders mondiaux sur les études du PSII (T. Agapie (Caltech) et J. Yano (Lawrence Berkeley National Lab.)). Un protocole basé sur la TD-DFT a été développé par nos partenaires allemands pour calculer et analyser des spectres expérimentaux. Il s’avère que le facteur déterminant pour le pré-pic est le nombre de coordination et la géométrie du Ca soulignant toute la sensibilité de cette technique pour sonder l'environnement du Ca. Ces résultats suggèrent fortement que cette spectroscopie, encore peu explorée sur l'élément Ca, pourrait être appliquée pour sonder le cluster naturel au cours du cycle Kok et pourrait contribuer à une meilleure compréhension du mécanisme d’oxydation de l'eau
Perspectives : Pour les prochains mois, en plus de compléter les études sur les composés déjà synthétisés, nous envisageons d’explorer la synthèse de nouveaux complexes de Mn et de Mn-Ca hétérobimétalliques contenant des ions manganèse dans des états d'oxydation supérieurs tels que + III et/ou + IV, plus pertinents comme modèles de l'OEC du PSII, en utilisant les ligands déjà synthétisé. Les résultats préliminaires sont très encourageants puisque d’intéressants nouveaux dimères de manganèse pontés par des ponts oxo peuvent être obtenus, parmi lesquels deux rares exemples de composés binucléaires à ponts mono-oxo pontés. Nous allons également concentrer nos efforts sur la génération d’intermédiaires clés et sur la conception de nouveaux ligands dissymétriques pour coordonner sélectivement le Mn et le calcium.
Outre le fait que la conception de nouveaux modèles pour l'OEC peut avoir un impact direct sur les recherches sur le photosystème II, le développement de nouveaux complexes de manganèse ayant une sphère de coordination riche en ligands oxygénés (carboxylate et eau ou ces dérivés) que l’on retrouve également dans d’autres enzymes à manganèse comme la catalase et la superoxyde dismutase,  pourrait ouvrir une voie d'accès à de nouveaux catalyseurs non seulement pour l'oxydation de l'eau, mais pour la dismutation de H2O2 ou de l’anion superoxyde et l’oxydation de substrats organiques.
Publications et brevets : •Publications:
1. V. Martin-Diaconescu, M. Gennari, B. Gerey,  E. Tsui, J. Kanady, R. Tran, J. Pécaut, D. Manganas, V. Krewald, E. Gouré, C. Duboc, J. Yano, T. Agapie, M.-N. Collomb and S. DeBeer
Inorg. Chem. 2015, 54, 1283–1292. Cover picture. DOI: 10.1021/ic501991e
2. M. A. Beckwith, W. Ames, F. D. Vila, V. Krewald, D. A. Pantazis, C. Mantel, J. Pécaut, M. Gennari, C. Duboc, M.-N. Collomb, J. Yano, J. J. Rehr, F. Neese, and S. DeBeer
How accurately can Extended X-ray Absorption Spectra be Predicted from First Principles? Implications for Modeling the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12815-12834. DOI: 10.1021/jacs.5b00783
3. B. Gerey, M. Gennari, E. Gouré, J. Pécaut, A. Blackman, D. Pantazis, F. Neese, F. Molton, J. Fortage, C. Duboc, and M.-N. Collomb
Calcium and heterometallic manganese-calcium complexes supported by tripodal pyridine-carboxylate ligands: structural, EPR and theoretical investigations. Dalton Trans 2015, 44(28), 12757-12770. DOI: 10.1039/C5DT01776A
4. B. Gerey, E. Gouré, J. Fortage, J. Pécaut and M.-N. Collomb
Manganese-calcium/strontium heterometallic compounds and their relevance for the oxygen-evolving center of photosystem II
 Coord. Chem. Rev. 2016. doi:10.1016/j.ccr.2016.04.002
•Communications :
1. ICBIC16, Grenoble, July 22nd to 26th 2013 
2.  Summer school (MPI CEC), Methods in Molecular Energy Research: Theory and Spectroscopy, Gelsenkirchen, Aug. 31ST – Sept. 6th 2014 
3. SCF annual meeting, Le Bourget-du-Lac, June 12th, 2014
4. Les Journées de Chimie de Coordination de la SFC (JCC2015), 29-30 janvier 2015 à Pessac, Bordeaux.
5. Institut des Métaux en Biologie de Grenoble annual meeting, Autrans, May 22nd, 2014
6. 8ème Journée de Chimie de Coordination en Rhône-Alpes, Lyon, 4 avril 2015.
7. Summer school (COST Actions CM1003 & CM1105): Chemistry of Metals in Biological Systems, Louvain-la-Neuve, May 12-18th, 2013
8. GECOM-CONCOORD, Sainte-Foy-lès-Lyon, 26-29 mai 2015.