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Instituts/ Institut de Recherches en Technologies et Sciences pour le Vivant (iRTSV)/ Unités / Chimie et Biologie des Métaux (CBM)/ Équipe Biocatalyse/ Modélisation des Hydrogénases

Modélisation des Hydrogénases



Responsable
 
Dr. Vincent Artero
Chercheur CEA
iRTSV/LCBM
CEA Grenoble
17 rue des martyrs
38 054 Grenoble cedex 09
Tel. : (33) 4 38 78 91 06
Fax : (33) 4 38 78 91 24

Biographie
 
Économie de l'hydrogène
 
La recherche de nouvelles sources d'énergie «propres» constitue pour les pays développés un objectif prioritaire. Dans ce contexte, la production d'hydrogène par réduction de protons et l'utilisation de l'énergie de la liaison H-H par oxydation (pile à combustible) apparaît comme une solution particulièrement séduisante.
Cette recherche se fait dans le cadre du programme Biohydrogène du CEA.
 
Hydrogénases et Biocatalyse
 

La Nature a mis au point des enzymes capables de réaliser ces réactions dans des conditions douces de température et de pression et qui se révèlent tout à fait compétitives au platine finement divisé actuellement utilisé dans les électrodes des piles à combustible. Il s'agit des hydrogénases qui catalysent l'interconversion H2/H+ selon la réaction suivante :

H2 2H+ + 2e-

On connaît actuellement 2 classes d'hydrogénases qui diffèrent par la nature du centre binucléaire présent au site actif. Les hydrogénases NiFe et les hydrogénases FeFe. Les structures cristallographiques d'enzymes appartenant à ces deux classes ont étés résolues par le groupe de Juan Fontecilla-Camps à l'IBS (figure 1). [Fontecilla-Camps et al., Chem. Rev., 2007]



Figure 1A : Structure par rayons X de l'hydrogénase NiFe de la forme oxydée "unready" de Desulfibrio fructosovorans (résolution : 1,83 Å ; code PDB 1YQW). Les atomes de fer sont représentés en violet, l'atome de nickel en vert, les atomes de soufre en jaune, les atomes de carbone des ligands diatomiques en gris, les atomes d'hydrogène des ions cyanides en bleu et l'atome d'oxygène du carbonyl et du ligand peroxo en rouge.



Figure 1B : Structure des sites actifs des deux types d'hydrogénases.

Les deux atomes métalliques sont connectés par des ponts thiolate, appartenant soit à des résidus cystéine de la chaine protéique (hydrogénases NiFe), soit constitutifs d'un petit ligand dithiométhylamine (hydrogénases FeFe). Les atomes de fer sont coordinés par des ligands assez inattendus chez les organismes vivants : monoxyde de carbone (CO) et cyanure (CN-), ce qui classe ces enzymes parmi les rares exemples de molécules organométalliques en biologie. La présence de sites basiques comme certains ligands thiolates terminaux du site actif des hydrogenases NiFe ou la fonction amine du ligand dithiométhylamine des hydrogénases FeFe constitue un élément structural jouant un rôle crucial au cours du cycle catalytique en facilitant les réactions de protonation ou de déprotonation.
Au sein de l'enzyme, une chaîne de clusters fer-soufre, distants les uns des autres de moins de 15 Å, permet aux électrons de circuler entre le site actif et la surface de la protéine où interviennent les partenaires physiologiques des hydrogénases. De la même manière, les équipes de l'IBS ont mis en évidence un chemin préférentiel au sein de la protéine pour le transfert des protons et pour la circulation des gaz. Ainsi, les hydrogénases sont de véritables petites usines à hydrogène dont la logistique de transport des électrons, protons et gaz est optimisée.
 
Modèles chimiques bioinspirés des hydrogénases
 
À côté de programmes à vocation biotechnologique utilisant ces enzymes ou des systèmes cellulaires les exprimant, nous explorons une approche chimique, qui consiste à préparer des complexes inspirés de la structure ou du fonctionnement des sites actifs des hydrogénases et à évaluer leurs propriétés catalytiques. Le but recherché est double : comprendre à l'aide de systèmes chimiques simples les mécanismes enzymatiques au niveau moléculaire et produire de nouveaux types de catalyseurs à des fins technologiques.

Plusieurs approches sont actuellement à l'étude :
 
   
Figure 2 : [Co(dmgBF2)2L2] (L=H2O, CH3CN, omis pour plus de clarté, gauche) et [Co(DO)(DOH)pn Br2] ((les ligands axiaux Br- ont été omis pour plus de clarté, droite)
Nous développons au laboratoire une famille de catalyseurs moléculaires à base de cobalt renfermant des ligands dioxime qui sont actuellement parmi les plus efficaces en termes d'activité catalytique et dont nous nous attachons à améliorer plus avant les performances par des modifications structurales. Ainsi, le potentiel de réduction à l'état CoI de la cobaloxime [Co(dmgBF2)(H2O)2] (Figure 2, gauche) est très proche du potentiel physiologique de fonctionnement des hydrogénases et, en présence de protons, ce composé catalyse la production d'hydrogène avec des surtensions limitées et de fortes fréquences de cycles, mais uniquement si la source de proton, un acide faible, est choisie avec soin. Une seconde génération de catalyseurs a été développée au laboratoire. Ils renferment des ligands diimine-dioxime (Figure 2, droite) tétradentates qui leur confèrent une stabilité exceptionnelle vis-à-vis de l'hydrolyse tout en conservant de très bonnes performances catalytiques. Tout l'intérêt de ces ligands est de posséder deux fonctions oximes libres, pouvant fixer un proton de manière à fermer le macrocycle équatorial. On retrouve alors une des caractéristiques structurales clés du site actif enzymatique énoncées plus haut, à savoir la présence de sites basiques pouvant jouer le rôle de relais de protons. Grâce à cette fonction, et de manière similaire aux hydrogénases, ces complexes peuvent s'adapter aux conditions acido-basiques du milieu et catalyser la production d'hydrogène avec de faibles surtensions sur une large gamme de pH.

• Préparation et étude catalytique des complexes hétérobinucléaires comme modèles biomimétiques des hydrogénases NiFe.

Plus de 50 modèles structuraux du site actif des hydrogénases NiFe ont déja été décrits, possédant tous les principales caractéristiques structurales de leur site actif mais, de manière surprenante et ce jusqu'à très récemment, aucun de ces complexes n'avait jamais été décrit comme possédant une activité catalytique, que ce soit pour la production ou l'oxydation de l'hydrogène. Nous avons donc d'abord décidé de jouer un jeu plus bio-inspiré que biomimétique et d'exploiter la chimie fascinante du ruthénium, un métal iso-électronique du fer, connu pour donner des complexes stables avec l'hydrogène ou les ligands hydrures. Ainsi toute une série de complexes dinucléaires Ni-Ru ont été développés et se sont révélés capables de catalyser la production d'hydrogène en solvant organique et en présence d'acides faibles, devenant de fait les premiers modèles à la fois structuraux et fonctionnels des hydrogénases NiFe. Une étude structure-fonction au sein de cette série a permis d'optimiser pas-à-pas les performances de ces catalyseurs, tant au niveau de leur vitesse de catalyse, que de la surtension qui leur est nécessaire pour réduire les protons en hydrogène. Une étude détaillée de chimie théorique au niveau DFT, conduite en collaboration avec Martin Field du Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires de l'IBS, a permis de démontrer que la production d'hydrogène catalysée par ces complexes Ni-Ru passe par un intermédiaire hydrure de structure pontante (Figure 3 bas), très proche de celle qui a été déterminée pour l'état Ni-C catalytiquement actif de ces enzymes. De plus, en combinant les résultats de cette étude avec des simulations numériques de leurs propriétés électrocatalytiques, il a été possible de montrer que la production d'hydrogène se déroulait, pour nos catalyseurs comme au niveau du site actif des hydrogénases, selon un mécanisme dit hétérolytique, impliquant la protonation de cet intermédiaire hydrure.

Il a ensuite été possible de remplacer le centre ruthénium par un motif organométallique renfermant un métal de la première série de transition. Un composé nickel-manganèse puis plus récemment un composé nickel-fer ont été successivement synthétisés et caractérisés. La structure cristallographique de ce dernier, possédant une composition très proche de celle du site actif de l'hydrogénase NiFe est montrée en Figure 3 (haut). Ces composés sont actifs pour la production d'hydrogène en milieu organique même s'ils nécessitent un milieu plus acide que leurs analogues Ni-Ru. Ils se révèlent également relativement stables au cours de l'accomplissement de plusieurs cycles catalytiques et mettent en jeu le même intermédiaire hydrure pontant.



Figure 3 : Haut : Structure cristallographique du site actif de l'hydrogénase NiFe et le complexe modèle [Ni(xbsms)FeCp(CO)]+. Bas : Structure de l'intermédiaire Ni-C catalytiquement actif de l'enzyme et structure calculée par DFT de l'intermédiaire clef au cours du cycle catalytique de production d'hydrogène par un modèle bio-inspiré Ni-Ru.
Couplage de ces catalyseurs avec des photosensibilisateurs pour la photoproduction d'hydrogène
 

Développé en collaboration avec le Dr Murielle Chavarot-Kerlidou.
 
Enzymes artificielles
 
Du côté de la chimie biomimétique, il n'existe aujourd'hui aucun modèle reproduisant toutes les caractéristiques du site actif des hydrogénases.
Cependant, le complexe dinucléaire synthétisé par Li H and Rauchfuss TB, J. Am. Chem. Soc., 2002 (figure 4) constitue un bon modèle structural du site actif des hydrogénases à fer inhibée au monoxyde de carbone (X = CO).
 
   
Figure 4 : [Fe2(ADT)(CO)4(CN)2]2-
Cependant, on notera que ce complexe est dans une conformation différente du cluster du site actif, issue de la rotation de 60° d'un motif {Fe(CO)2(CN)}. On pense que cette conformation plus haute en énergie est stabilisée dans l'enzyme par l'établissement de liaisons hydrogène impliquant les ligands cyanures.

 

Il est donc crucial pour le développement de modèles fonctionnels d'évaluer l'apport de la structure protéique à l'activation du cluster binucléaire de fer et à sa stabilisation dans les états oxydés. Pour cela, nous nous interessons à mieux caractériser les interactions entre des petites protéines et divers complexes organometalliques.
L'objectif final est de produire des catalyseurs originaux comportant un complexe organométallique de synthèse actif dans un site protéique bien choisi. Cette étude est réalisée en étroite collaboration avec Christine Cavazza du Groupe Métalloprotéines (IBS).

Cette étude est complexe car il s'agit de rendre compatible deux chimies très différentes : celle des protéines qui imposent un milieu aqueux tamponné et la chimie organométallique qui est généralement développée en milieu aqueux. Il faut notamment définir les bons précurseurs organométalliques aquosolubles et possédant un site de coordination labile mais ne réagissant pas de manière irréversible avec le milieu tamponné.

Un premier résultat a été obtenu avec la caractérisation spectroscopique et structurale d'un adduit covalent entre le lyzosyme et le fragment {Mn(CO)3}+. À défaut de posséder des propriétés catalytiques, la protéine artificielle obtenue est un premier modèle des étapes de maturation des hydrogénases nickel-fer puisque sa réaction avec un complexe de nickel conduit à la formation d'un complexe dinucléaire nickel-manganèse.



Figure 5 : Structure de l'adduit [lysozyme-{MnI(CO)3}] et sa réactivité avec le complexes de nickel [Ni(xbsms)]
 
Immobilisation sur électrodes nano-structurées de catalyseurs bio-inspirés pour la production ou l’oxydation de l’hydrogène
 

L'incorporation des catalyseurs moléculaires décrits ci-dessus dans des dispositifs technologiques passe par leur intégration dans des matériaux d'électrode. L'immobilisation de tels catalyseurs via leur greffage covalent sur des matériaux conducteurs carbonés permet d'assurer que la totalité des espèces introduites est active et au bon endroit (ce qui n'est pas le cas lorsque les molécules sont dissoutes dans une solution où plonge une électrode), d'optimiser les transferts électroniques et de contrôler l'apport de substrat en agissant sur les phénomènes de transport de matière vers l'électrode.

En collaboration avec une équipe du CEA de Saclay (DSM/IRAMIS/SPCSI), nous avons développé une stratégie originale, combinant l'approche bio-inspirée décrite ci-dessus avec les outils de la nanochimie et montré que le couplage covalent sur des nanotubes de carbone de complexes nickel bisdiphosphine mimant la structure du site actif des hydrogénases permet la préparation d'un matériau électrocatalytique possédant de remarquables performances : mis en forme au sein d'un assemblage membrane-électrode et testé au LITEN (DEHT/LCPEM) cette électrode, qui ne contient pas de métal noble catalyse sans surtension la production d'hydrogène en milieu acide sulfurique avec une extraordinaire stabilité (> 100 000 turnovers). De manière plus inattendue, ce matériau est également très efficace pour l'oxydation de l'hydrogène avec des densités de courant similaires à celles obtenues lorsque des hydrogénases natives sont immobilisées sur le même type d'électrode. Ce matériau à base de nickel peut être couplé à une membrane Nafion® dans une configuration proche de celle développée pour les piles à combustibles à membrane polymère conductrices de protons (PEMFC). De plus, il se révèle tout à fait tolérant à la présence de monoxyde de carbone, un polluant présent dans l'hydrogène produit par reformage du gaz naturel ou pyrolyse de la biomasse et qui empoisonne irréversiblement les catalyseurs commerciaux à base de platine.



Recherche : Bientôt des piles sans Platine ?
Les explications de Vincent Artero sur le blog de Dominique Desaunay, journaliste à RFI.
 
Vulgarisation au Palais de la découverte
 
Catalyse Bio-inspirée et production d'Hydrogène : des algues aux nanomatériaux.
Retour sur l'évènement Un chercheur, une manip du 24 mars 2010 sur l'espace Hydrogène du Palais de la découverte de Paris. Par Vincent Artero.
 
Hydrogène : une révolution énergétique à l’horizon 2030
 
Avec Marc Fontecave de l’Académie des sciences et Vincent Artero, lauréat du prix Mergier-Bourdeix de l’Académie des sciences.
Un double problème persiste dans le domaine de l’énergie : remplacer les énergies fossiles par des ressources renouvelables ; et puis le grand problème du stockage de l’énergie, que l’on rencontre depuis toujours. A cette double problématique, il semble qu’une solution s’esquisse de plus en plus sérieusement : l’exploitation de l’hydrogène. Des avancées technologiques sont encore à venir avant de pouvoir utiliser de manière industrielle ce gaz. Explications en compagnie de Marc Fontecave, membre de l’Académie des sciences et son collaborateur au CEA Vincent Artéro.
dimanche 30 octobre 2011 par Élodie Courtejoie - réf. ecl729
Club Canal Académie.
 
À voir : des chimistes bio-inspirés, l’hydrogène de demain
 
Ce documentaire de 17 minutes, réalisé par Mathieu Chauvin, accessible à tous, aborde des découvertes sur la catalyse bio-inspirée dans le domaine de l’hydrogène. Il permet d’entrevoir des applications industrielles dans la production de l’hydrogène et la fabrication des piles à combustible sans platine. Cette aventure de l’intelligence est illustrée au travers d’expériences et d’animations 3D.

Lien intranet.
 
Une pile à hydrogène bio-inspirée
 
Article rédigé par Christophe Cartier dit Moulin (communication du CNRS-Chimie), à partir de nos travaux. Le diaporama est édité et commenté par Nicolas Lévy (professeur agrégé responsable du site ENS-DGESCO CultureSciences-Chimie) à partir d'une conférence de V. Artero (Olympiades Nationales de Chimie - 2012).

Lien Internet.
 
Publications
 
2012 
    Zhang P, Jacques PA, Chavarot-Kerlidou M, Wang M, Sun L, Fontecave M and Artero V
Phosphine coordination to a cobalt diimine-dioxime catalyst increases stability during light-driven H2 production.
Inorganic Chemistry, 2012, 51(4): 2115-2120
2011 
  Andreiadis ES, Chavarot-Kerlidou M, Fontecave M and Artero V
Artificial photosynthesis: From molecular catalysts for light-driven water splitting to photoelectrochemical cells.
Photochemistry and Photobiology, 2011, 87: 946–964
Cet article a fait la page de couverture du journal.
 
    Artero V, Canaguier S and Fontecave M
Cp*--ruthenium-nickel-based H2-evolving electrocatalysts as bio-inspired models of NiFe hydrogenases.
European Journal of Inorganic Chemistry, 2011, 2011(7): 1094-1099
 
  Artero V, Chavarot-Kerlidou M and Fontecave M
Splitting water with cobalt.
Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(32): 7238-7266
    Artero V and Fontecave M
Light-driven bioinspired water splitting: Recent developments in photoelectrode materials.
Comptes Rendus Chimie, 2011, 14(9): 799-810

Canaguier S, Fontecave M and Artero V
Cp*--ruthenium-nickel-based H2-evolving electrocatalysts as bio-inspired models of NiFe hydrogenases.
European Journal of Inorganic Chemistry, 2011, 7: 1094-1099

Fontecave M and Artero V
Bioinspired catalysis at the crossroads between biology and chemistry: A remarkable example of an electrocatalytic material mimicking hydrogenases.
Comptes Rendus de Chimie, 2011, 14(4): 362-371

Fourmond V, Canaguier S, Golly B, Field MJ, Fontecave M and Artero V
A nickel–manganese catalyst as a biomimic of the active site of NiFe hydrogenases: A combined electrocatalytical and DFT mechanistic study.
Energy & Environmental Science, 2011, 4: 2417-2427

Hijazi A, Kemmegne-Mbouguen JC, Floquet S*, Marrot J, Mayer C, Artero V and Cadot E
Capture of the complex [Ni(dto)2]2- (dto2- = dithiooxalato ligand) in a Mo12-ring: Synthesis, characterizations and application toward the reduction of protons.
Inorganic Chemistry, 2011, 50(18): 9031-9038

Tran PD, Le Goff A, Heidkamp J, Jousselme B, Guillet N, Palacin S, Dau H, Fontecave M and Artero V
Noncovalent modification of carbon nanotubes with pyrene-functionalized nickel complexes: Carbon monoxide tolerant catalysts for hydrogen evolution and uptake.
Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(6): 1371-1374

2010 
    Canaguier S, Field M, Oudart Y, Pecaut J, Fontecave M and Artero V
A structural and functional mimic of the active site of NiFe hydrogenases.
Chemical Communications, 2010, 46(32): 5876-5878

Fourmond V, Jacques PA, Fontecave M and Artero V
H2 evolution and molecular electrocatalysts: Determination of overpotentials and effect of homoconjugation.
Inorganic Chemistry, 2010, 49: 10338–10347

Le Goff A, Artero V, Metayé R, Moggia F, Jousselme B, Razavet M, Tran PD, Palacin S and Fontecave M
Immobilization of FeFe hydrogenase mimics onto carbon and gold electrodes by controlled aryldiazonium salt reduction: an electrochemical, XPS and ATR-IR study.
International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(19): 10790-10796

Le Goff A, Moggia F, Debou N, Jegou P, Artero V, Fontecave M, Jousselme B and Palacin S
Facile and tunable functionalization of carbon nanotube electrodes with ferrocene by covalent coupling and [pi]-stacking interactions and their relevance to glucose bio-sensing.
Journal of Electroanalytical Chemistry, 2010, 641(1-2): 57-63

Tran PD, Artero V and Fontecave M
Water electrolysis and photoelectrolysis on electrodes engineered using biological and bio-inspired molecular systems.
Energy and Environmental Science, 2010, 3(6): 727-747

Vaccaro L, Artero V, Canaguier S, Fontecave M and Field MJ
Mechanism of hydrogen evolution catalyzed by NiFe hydrogenases: Insights from a Ni-Ru model compound.
Dalton Transactions, 2010, 39(12): 3043-3049

2009 
    Canaguier S, Vaccaro L, Artero V, Ostermann R, Pecaut J, Field MJ and Fontecave M
Cyclopentadienyl ruthenium-nickel catalysts for biomimetic hydrogen evolution: Electrocatalytic properties and mechanistic DFT studies.
Chemistry A European Journal, 2009, 15(37): 9350-9364

Jacques PA, Artero V, Pécaut J and Fontecave M
Cobalt and nickel diimine-dioxime complexes as molecular electrocatalysts for hydrogen evolution with low overvoltages.
Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2009, 106(49): 20627–20632

Le Goff A, Artero V, Jousselme B, Dinh Tran P, Guillet N, Métayé R, Fihri A, Palacin S and Fontecave M
From hydrogenases to noble metal-free catalytic nanomaterials for H2 production and uptake.
Science, 2009, 326(5958): 1384-1387

Oudart Y, Artero V, Norel L, Train C, Pécaut J and Fontecave M
Synthesis, crystal structure, magnetic properties and reactivity of a Ni-Ru model of NiFe hydrogenases with a pentacoordinated triplet (S = 1) NiII center.
Journal of Organometallic Chemistry, 2009, 694(17): 2866-2869

2008 
   

Artero V and Fontecave M
Hydrogen evolution catalyzed by {CpFe(CO)2}-based complexes.
Comptes Rendus Chimie, 2008, 11(8): 926-931

Canaguier S, Artero V and Fontecave M
Modelling NiFe hydrogenases: Nickel-based electrocatalysts for hydrogen evolution.
Dalton Transactions, 2008, 315-325

Fihri A, Artero V, Pereira A and Fontecave M
Efficient H2-producing photocatalytic systems based on cyclometalated iridium- and tricarbonylrhenium-diimine photosensitizers and cobaloxime catalysts.
Dalton Transactions, 2008, (41): 5567-5569

Fihri A, Artero V, Razavet M, Baffert C, Leibl W and Fontecave M
Cobaloxime-based photocatalytic devices for hydrogen production.
Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(3): 564-567

2007 
    Baffert C, Artero V and Fontecave M
Cobaloximes as functional models for hydrogenases. 2. Proton electroreduction catalyzed by difluoroborylbis(dimethylglyoximato)cobalt(II) complexes in organic media.
Inorganic Chemistry, 2007, 46: 1817-1824
 

Oudart Y, Artero V, Pécaut J, Lebrun C and Fontecave M
Dinuclear nickel-ruthenium complexes as functional bio-inspired models of [NiFe] hydrogenases.
European Journal of Inorganic Chemistry, 2007, 18: 2613-2626
Cet article a fait la page de couverture d’une édition spéciale du European Journal of Inorganic Chemistry, « celebrating 10 years of excellence »
    Razavet M, Artero V, Cavazza C, Oudart Y, Lebrun C, Fontecilla-Camps JC and Fontecave M
Tricarbonylmanganese(I)-lysosyme complex: A structurally characterized organometallic protein.
Chemical Communications, 2007, 2007(27): 2805-2807

2006 
    Oudart Y, Artero V, Pecaut J and Fontecave M
[Ni(xbsms)Ru(CO)2Cl2]: A bioinspired nickel-ruthenium functional model of [NiFe] hydrogenase.
Inorganic Chemistry, 2006, 45(11): 4334-4336

2005 
    Artero V and Fontecave M
Some general principles for designing electrocatalysts with hydrogenase activity.
Coordination Chemistry Review, 2005, 249(15-16): 1518-1535

Razavet M, Artero V and Fontecave M
Proton electro-reduction catalyzed by cobaloximes: Functional models for hydrogenases
Inorganic Chemistry, 2005, 44(13): 4786-4795
 
Thèses soutenues
 
Sigolène Canaguier.
Nouveaux catalyseurs inspirés du site actifs des hydrogénases NiFe : électro-production d’hydrogène et mécanisme catalytique. (24 septembre 2009, Université Joseph Fourier)
[Résumé] - [Thèse en ligne]

Yohan Oudart.
Modèles structuraux et fonctionnel du site actif des hydrogénases [NiFe] : de nouveaux catalyseurs bio-inspirés pour la production d'hydrogène. (28 septembre 2006, Université Joseph Fourier)
[Résumé] - [Thèse en ligne]