C'est tellement métallique : les scientifiques confirment que le nickel joue un rôle clé dans une réaction chimique ancienne

18 août 2023

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par Kimberly Hickok, Laboratoire national des accélérateurs du SLAC

Le dioxyde de carbone (CO2) est le gaz à effet de serre le plus abondant à l’origine du changement climatique, mais il existait sur Terre bien avant que les humains ne commencent à le rejeter dans l’atmosphère à des niveaux sans précédent. Ainsi, certains des premiers organismes de la planète ont évolué pour exploiter et utiliser ce gaz qui serait autrement nocif pour les humains et la planète.

L’un de ces processus, appelé voie Wood-Ljungdahl, ne se produit qu’en l’absence d’oxygène et est considéré comme la voie de fixation du carbone la plus efficace dans la nature. Mais la manière exacte dont se déroule le cheminement d’une étape à la suivante reste floue.

Aujourd'hui, des scientifiques de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, de l'université du Michigan, de l'université Northwestern et de l'université Carnegie Mellon ont découvert le fonctionnement interne jusqu'alors inconnu de la voie Wood-Ljungdahl.

Leurs découvertes, publiées dans le Journal of the American Chemical Society le mois dernier, mettent non seulement en lumière l'une des réactions chimiques les plus anciennes sur Terre, mais pourraient également conduire à de meilleures techniques de capture du carbone pour les efforts d'atténuation du changement climatique.

"Avant cette étude, nous savions que pour que la voie Wood-Ljungdahl génère du carbone que les organismes puissent utiliser, elle commençait par du dioxyde de carbone", a déclaré Macon Abernathy, chercheur associé au SSRL et co-auteur de l'étude. "Ensuite, il convertit le CO2 en monoxyde de carbone et en groupe méthyle et, grâce à une sorte de magie chimique, les fusionne en une forme de carbone qui peut être utilisée par l'organisme."

Pendant des années, les scientifiques ont postulé que cette voie passait par une série d’intermédiaires organométalliques à base de nickel, qui forment des liaisons métal-carbone. Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur un complexe de deux protéines nickel-fer-soufre, appelées CO déshydrogénase et acétyl-CoA synthase (CODH/ACS), qui sont les principales enzymes qui catalysent la conversion du dioxyde de carbone en énergie et en carbone structurel pour la construction. parois cellulaires et protéines.

Mais confirmer cette hypothèse s’avère délicat car le complexe enzymatique doit être purifié dans une atmosphère dépourvue d’oxygène, comme celle de la Terre primitive il y a 4 milliards d’années, lorsque ces protéines et cette voie ont émergé. De plus, les composés intermédiaires sont souvent instables et la réaction peut rapidement devenir inactive. De plus, la présence d’autres atomes de nickel et de fer dans la CODH interfère avec l’étude de l’ACS, cible de cette étude.

Pour contourner ces défis, les chercheurs ont développé une version plus active de la protéine, uniquement ACS, sans CODH, et ont utilisé les rayons X au SSRL pour comprendre ses métaux et leur fonctionnement à l'intérieur de l'enzyme. L'équipe a appliqué la spectroscopie à rayons X, une technique dans laquelle les scientifiques étudient l'interférence de la lumière absorbée, libérée puis renvoyée vers les métaux dans un complexe - ici l'ACS - pour identifier les liaisons chimiques changeantes au fur et à mesure que les réactions se produisent. .

Bref, les scientifiques ont confirmé leur hypothèse de longue date.

"Ce que nous avons découvert, c'est qu'il existe une chimie organométallique très complexe dans laquelle un seul site de nickel dans l'enzyme fait toutes les choses amusantes", a déclaré Ritimukta Sarangi, scientifique principal au SSRL et auteur correspondant de l'étude.

L'équipe a appris que même si l'enzyme possède un groupe de deux nickels liés à quatre atomes chacun de fer et de soufre, la réaction a toujours lieu au niveau d'un nickel spécifique au sein du groupe, a déclaré Steve Ragsdale, professeur à l'Université du Michigan et auteur correspondant. sur l'étude. "Les carbones, tels que le monoxyde de carbone, le groupe méthyle et le groupe acétyle, se lient tous au nickel le plus proche du fer et du soufre, et il est très clair qu'ils ne se lient à aucun des autres métaux."