Brevet FR2495843A1 — publié le 19820611

La présente invention concerne la bioélectrocataly- se et des électrodes utiles pour la bioélectrocatalyse. Aux fins de la présente description, la bioélectro- catalyse se définit comme étant l'utilisation de matières) provenant de systèmes biologiques>comme catalyseurs pour des réactions se produisant aux électrodes. Ainsi, la bio- électrocatalyse comprend notamment l'interaction électroly- tique d'enzymes ou de Co-facteurs avec des électrodes, de sorte que des équivalents réducteurs sont fournis à une enzyme, ou cédés par elle, en liaison avec une réaction chi- mique catalysée par cette enzyme. La bioélectrocatalyse sert à satisfaire des besoins en énergie de molécules biolo- giques pour catalyser des réactions chimiques et dans des piles à combustibles biologiques. Par exemple, la demande de brevet du Royaume-Uni publiée sous le NI 2 033 428 décrit des procédés bioélectro- catalytiques pour effectuer des réactions enzymatiques, notam- ment des procédés pour la transformation oxydante ou réduc- trice de composés orgariques catalysée par des enzymes, dans lesquels les enzymes exigent une fourniture continue d'équi- valents réducteurs pour régénérer l'enzyme réduite sous forme enzymatiquement active, et dans lesquels les équiva- lents réducteurs sont obtenus par voie électrochimique. Dans les systèmes décrits dans la demande antérieure préci- tée de brevet, on utilise des électrodes en métal précieux, par exemple des électrodes en or comportant du 4,4'-bipyridyle. Dans cette invention antérieure, un transfert d'électrons se produit rapidement et directement entre une électrode et une matière biologique électroactive, par exemple une en- zyme. Cependant, les seules électrodes utilisées à cette fin sont des électrodes en métal précieux, normalement en com- binaison avec du 4,4'-bipyridyle qui est un promoteur de transfert d'électrons ajouté aux électrolytes pour être ad- sorbé sur l'électrode. Cependant, de telles électrodes en métal précieux sont très onéreuses et elles ne sont ainsi habituellement pas considérées comme pratiques pour servir à des applications industrielles à grande échelle. Il vient d'être découvert qu'un transfert d'élec- trons entre une électrode et une matière biologique électro- active peut se réaliser à l'aide d'une forme différente et moins onéreuse d'électrode, provenant d'un nouveau concept. Donc, la présente invention comprend un procédé bioélectrocatalytique dans lequel des électrons sont trans- férés entre, d'une part, une électrode et, d'autre part, une matière biologique électroactive, cette électrode compre- nant une substance conductrice de l'électricité qui contient une espèce liante comprenant (consistant-en ou englobant) un groupe fonctionnel chargé pour l'orientation et la liai- son chimique et réversible de la matière biologique électro- active sur l'électrode. L'invention comprend l'utilisation, dans un procédé bioélectrocatalytique, d'une électrode selon la définition ci-dessus. Elle comprend aussi, en soi, une électrode bio- électrocatalytique réalisée en une substance conductrice de l'électricité et à laquelle est liée une matière biologi- que électroactive consistant en, ou comportant, un cytochrome. notamment du cytochrome c, électrode dans laquelle la substan- 210 ce conductrice de l'électricité contient en son sein une espèce liante répondant à la définition ci-dessus. La présente invention concerne des procédés bio- électrccatalytique en gn-ral, notamment des procédés pour la transforniatien enzymatique oxydante ou réductrice de substances, par exemple des composés organiques, cette trans- formation se produisant à l'anode ou bien à la cathode. L'in- vention comprend également des procédés électroanalytiques. notamment ceux dans lesquels des substances sont surveillées à l'aide du courant ou du potentiel produit par suite de leur interaction avec une matière biologique, comme une en- zyme ou un co-facteur. Ainsi, l'expression "matière biologique électroactive" signifie n'importe quelle matière biologique qui exige que se produise un transfert d'électrons pour ex- primer son activité biologique et qui peut subir un transfert d'électrons avec une électrode au cours d'un processus biolo- gique. En particulier, la matière biologique électroactive peut être un co-facteur, par exemple:;AD (nicotinamide- adénine-dirucléotide),,iADH -nicotinamnide-adénine-dinucléotide hydrogéné) ou FAD (flavine-adénine-dinucléotide) ou, notam- ment, une enzyme ou un constituant d'un complexe d'enzyme pouvant recevoir des électrons, par exemple un cytochrome, une flavoprotéine ou un ferment oxydo-réducteur. De préfé- rence, la matière biologique électroactive consiste en, ou comporte, un cytochrome, notamment du cytochrome c ou p 450. Elle peut prendre la forme d'une enzyme complexe comprenant un récepteur, comme un cytochrome et une enzyme oxydo-réduc- trice comme de la monooxygénase. D'autres complexes de ce genre sont décrits dans la demande précitée de brevet. La substance conductrice de l'électricité de l'élec- trode peut comprendre une poudre de métal conducteur, par exemple de la poudre d'argent ou de cuivre, en dispersion dans un liant mécanique convenable, comme un liant polymère, par exemple une résine époxyde ou un liant de polyester. De préférence, cependant, la substance conductrice de l'électri- cité comprend un conducteur non métallique, notamment du carbone, par exemple du graphite pyrolytique ou de la pâte de carbone. L'espèce à rôle de liaison chimique, incorporée à la substance conductrice, peut être n'importe quelle subs- tance capable de lier chimiquement et de manière réversible la matière biologique électroactive pour faciliter un trans- fert d'électrons entre la matière et l'électrode. Ainsi, l'espèce à rôle de liaison chimique peut comprendre une es- pèce non ionique, donnant naissance à un dipôle permanent ou induit, par exemple du 4,4'-bipyridyle ou du 1,2(bis-4- pyridyl)éthylène. Si, dans la demande antérieure précitée de brevet, on a utilisé ces composés du type bipyridyle à titre de promoteurs du transfert d'électrons, on n'a alors pas compris que ces composés peuvent servir d'espèce à rôle de liaison chimique à ancrer dans la substance conductrice de l'électricité. De préférence, cependant, l'espèce liante, ou à rôle de liaison, comprend une espèce comportant un ou plusieurs groupes fonctionnels ioniques pour constituer des groupes chargés destinés à orienter et lier la matière bio- logique à la surface de l'électrode. Par exemple, l'espèce à rôle de liaison peut comprendre n'importe quelle espèce capable de s'ioniser pour donner un groupe fonctionnel néga- tivement chargé, par exemple un groupe acide sulfonique ou acide carboxylique,-ou un groupe fonctionnel positivement chargé, par exemple un groupe amino tertiaire ou un groupe guanidinium. Le choix de l'espèce à rôle de liaison sera influ- encé en premier lieu par le signe de la charge présente en un site approprié sur la matière biologique électroactive. Par exemple, le cytochrome c présente un site positivement chargé voisin de son groupe hème prosthétique impliqué dans un transfert ou transport d'électrons. Donc, pour du cyto- chrome c, on utilise une espèce négativement chargée. De façon générale, le même raisonnement s'applique à d'autres cytochromes et à d'autres matières biologiques électroactives dont le point isoélectrique est supérieur à 4 environ. In- versement, une protéine ayant un site négativement chargé voisin d'une partie de la molécule à rôle de transfert d'élec- trons va exiger une espèce liante positivement chargée. L'objectif visé consiste à obliger la partie de molécule impliquée dans le transfert d'électrons à "faire face" à l'électrode et à provoquer ainsi un transfert direct rapide d'électrons vers la matière biologique électroactive ou en provenance de cette matière, sans qu'il soit nécessaire d'uti- liser un médiateur. L'espèce à rôle de liaison chimique peut être cons- tituée par l'entité conductrice de la substance conductrice elle-même. Ainsi, dans une forme préférée, la substance con- ductrice comprend du charbon particulaire et l'espèce à rôle de liaison chimique est fournie sous forme de groupes présents à la surface des particules de carbone et que l'on obtient par oxydation de cette surface. En variante, l'espèce à rôle de liaison chimique contenue dans la matière conductrice est séparée de l'entité conductrice. Ainsi, l'espèce à rôle de liaison chimique peut être constituée par le liant méca- nique utilisé avec une substance conductrice comprenant un métal en poudre ou un autre conducteur, par exemple, par des groupes fonctionnels présents dans le liant polymère que l'on utilise ou introduits dans ce liant. Dans d'autres for- mes préférées de réalisation, cependant, l'espèce à rôle de liaison chimique est fournie par un additif qui est physi- quement combiné à l'entité conductrice de la substance con- ductrice. Des additifs préférés formant des espèces négati- vement chargées à rôle de liaison chimique comprennent des acides organiques, notamment des acides gras à longue chaîne, par exemple des acides gras en C10-C30 ou de préférence en C16-C24, comme des acides sulfoniques et notamment des aci- des carboxyliques, par exemple l'acide stéarique et les aci- des semblables, et aussi des amines organiques, notamment des amines grasses, par exemple la dodécylamine. On comprendra que les espèces à rôle de liaison chimique ne sont pas présentes purement sous forme de couches revêtant une électrode, mais sont contenues au sein de la substance conductrice, dispersées dans au moins une partie de cette substance. Si on le désire, un liant mécanique peut être ajou- té à la composition de l'électrode. Par exemple, on peut utiliser un liant liquide, comme du "Nujol" ou un autre li- quide convenable, ou bien l'on peut également utiliser un liant solide, notamment un liant polymère, par exemple du PTFE (polytétraFluoréthylène). De manière générale, également, la composition de l'électrode peut être mise en forme d'électrode comme on le souhaite, ce qui comprend n'importe quelle façon connue en soi. Par exemple, la composition peut être comprimée pour former une pastille d'électrode. Les proportions relatives de la substance conduc- trice, de l'espèce à rôle de liaison chimique et du liant mécanique (si on en utilise) peuvent être largement variées selon les désirs. En général, cependant, le rapport pondéral entre la substance conductrice et l'espèce à rôle de liaison chimique physiquement combinée se situe entre 1:1 et 100:1, de préférence à environ 10-15:1. Par exemple, des compositions d'électrodes comprenant 800 mg de graphite avec 50mg d'acide stéarique dans 0,5 ml de "Nujol ont donné des électrodes qui ont bien fonctionné, et des compositions comprenant 800 mg de graphite avec 50 mg d'acide stéarique dans la même quantité de "Nujol" ont donné des électrodes qui ont semblé fonctionner aussi bien. En outre, par exemple, on a réalisé avec succès des électrodes à partir de compositions comprenant dix parties en poids de graphite pour une partie en poids d'acide stéarique, et contenant au total 10 %" en poids de polytétra- fluoréthylène. L'invention sera décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard de la figure unique annexée montrant une coupe d'une forme d'ensemble d'électro- de. On voit sur la figure unique qu'une forme d'ensem- ble d'électrode comprend un porte-électrode 1 remplaçable et un conducteur isolé 2. Le conducteur 2 est sous forme d'une tige 3 de métal conducteur comportant à une extrémité 4 un filetage, et une partie élargie 5 à l'autre extrémité comportant un évidement axial taraudé, le tout emprisonné dans un revêtement de matière plastique 6 isolante et inerte. L'ex- trémité filetée 4 fait saillie de l'extrémité supérieure du revêtement 6 pour constituer un organe de fixation de l'en- semble d'électrode à un circuit de surveillance (non repré- senté). Le porte-électrode 1 comprend une électrode en pâte de carbone, sous forme d'une pastille comprimée 10 en forme de disque. La pastille est obtenue par compression d'un mé- lange comprenant 0,8 g de graphite, 50 mg d'acide stéarique Z5 et 0,5 mi de tujol' dans une presse hydraulique. La pastille de carbone 10, formant électrode, est collée par une couche de colle conductrice 12, à base de résine époxyde contenant de l'argent, sur une face d'un disque 13 de métal conducteur présentant un bossage 14 fileté s'étendant axialement à partir de son autre face. Le disque-électrode 10 et le disque de mnetal 13 comportent autour de leur périphérie un revêtement de matière plastique 11 isolante et inerte. Comme représenté sur le schéma de la figure unique, le porte-électrode 1 est fixé au conducteur 2 par vissage du bossage 14 dans l'évidement axial ménagé dans la partie élargie 5 au bas du conducteur de métal 3. Une rondelle 15, isolante et élascique, est disposée entre le porte-électrode 1 et le conducteur 2 pour séparer de manière étanche les constituants métalliques conducteurs des solutions, lorsque l'ensemble d'électrode est en service. Des ensembles d'électrodes, comme ci-dessus, ont été construit en utilisant diverses compositions différentes d'électrodes et ils ont été essayé sous forme de cathodes avec des solutions contenant du cytochrome c, par voltampéro- métrie cyclique (titrage voltammétrique) en courant continu pour déterminer l'efficacité de ces ensembles d'électrodes à titre d'électrodes pour la bioélectrocatalyse. Acide stéarique On a utilisé dans un autre ensemble d'électrode une composition d'électrode comprenant 0,8 g de graphite et mg d'acide stéarique dans 0,5 ml de "Nujol". 1,2-bis(4-pyridyl)éthylène On a utilisé dans un ensemble d'électrode une composition d'électrode comprenant 0,8 g de graphite et 50 mg de l,2-bis(4-pyridyl)éthylène dans 0,5 ml de "Nujol". 4,4'-bipyridyle De façon semblable à la mise en oeuvre du 1,2- bis(4-pyridyl)éthylène, on a réalisé une électrode à partir de graphite et de 4,4'-bipyridyle, et l'on a effectué des essais sur cette électrode. Electrode de comparaison obtenue à partir d'une pâte de carbone A titre comparatif, on a utilisé dans un autre en- semble d'électrode une composition d'électrode comportant une pâte de carbone simple, comprenant 0,8 g de graphite dans 0,5 ml de "Nujol". On a établi des diagrammes de titrage voltammétri- que cyclique, en courant continu, de ces électrodes en pré- sence (environ 1 mmole, c'est-à-dire 5 mg par ml) et en l'absence de cytochrome c dans un électrolyte aqueux de sup- port contenant 0,1 M de chlorate de sodium et 0,02 M de phos- phate à pH 7. Les diagrammes cycliques de titrage voltammétrique, obtenus pour les électrodes de type bipyridyle 5,2-bis- (4-pyridyl)éthylène et 4,4'-bipyridyle7 et de type acide stéarique en présence de cytochrome c ont montré des crêtes prononcées indiquant un transfert rapide et réversible d'élec- trons entre ces électrodes et du cytochrome c. On n'a pas observé de telles crêtes en l'absence de cytochrome c pour ces électrodes, ou pour l'électrode simple à pâte de carbone, en présence ou en l'absence de cytochrome c. La vitesse de balayage utilisée pour l'électrode de type bipyridyle a été de 100 mV S1 dans une gamme de balayage de + 400 mV contre l'électrode étalon au calomel, alors que l'électrode à acide stéarique a été balayée dans la gamme de -260 mV à +333 mV à des vitesses de balayage de 10, 20, 50 et 100 mV S. On a noté dans ce dernier cas un léger étalement des crêtes de cytochrome c lorsque la vitesse de balayage a augmenté. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'électrode de bioélectrocatalyse. REVENDICATIONS 1. Procédé de bioélectrocatalyse, dans lequel des électrons sont transférés entre, d'une part, une élec- trode réalisée en une substance conductrice de l'électrici- té et, d'autre part, une matière biologique électroactive, procédé caractérisé en ce que la substance conductrice de l'électricité contient en son sein une espèce liante com- prenant un groupe fonctionnel chargé, pour l'orientation et la liaison chimique et réversible de la matière biologi- que électroactive à l'électrode. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espèce liante est constituée par des groupes fonctionnels présents dans les molécules de la substance conductrice de l'électricité. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espèce liante est un additif contenu au sein de la substance conductrice de l'électricité. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la matière biologique électroactive présente un point isoélectrique supérieur à 4, et en ce que l'espèce liante est négativement chargée ou présente un moment de dipôle. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière biologique électroactive est un cyto- chrome. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cytochrome est du cytochrome c. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce que la substance conductrice de l'électricité est du carbone oxydé en surface, l'espèce liante étant constituée par les groupes oxydés présents à la surface du carbone. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce que la substance conductrice de l'électricité est du carbone et l'espèce liante est un acide gras comportant 10 à 30 atomes de carbone. 9. Electrode de bioélectrocatalyse, réalisée en une substance conductrice de l'électricité à laquelle est liée une matière biologique électroactive consistant en un cytochrome ou comportant un cytochrome, électrode caracté- risée en ce que la substance conductrice de l'électricité contient en son sein une espèce liante comprenant un groupe fonctionnel chargé, pour l'orientation et la liaison chimi- que et reversible de la matière biologique électroactive à l'électrode. 10. E].ectrode selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que le cytochrome est du cytochrome c. 11. Electrode selon l'une des revendications 9 et , caractérisée en ce que la substance conductrice de l'élec- tricité est du carbone (10) oxydé en surface, l'espèce liante étant constituée par les groupes oxydés présents à la surfa- ce du carbone. 12. Electrode selon l'une des revendications 9 et , caractérisée en ce que la substance conductrice de l'élec- tricité est du graphite, et l'espèce liante est un acide gras comportant de 10 à 30 atomes de carbone.