Recherche sur les matériaux : des mousses biocatalytiques d'une durabilité et d'une activité énormes
Des chercheurs du KIT développent une nouvelle classe de matériaux pour les processus de biocatalyse à partir d'enzymes
La biocatalyse industrielle avec des enzymes est considérée comme un "gamechanger" dans le développement d'une industrie chimique durable. Les enzymes permettent de synthétiser une gamme impressionnante de molécules complexes, telles que des principes actifs pharmaceutiques, dans des conditions respectueuses de l'environnement. Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont maintenant développé une nouvelle classe de matériaux en produisant des enzymes sous forme de mousses qui ont une durabilité et une activité énormes. Le nouveau procédé de fabrication des mousses enzymatiques a déjà fait l'objet d'une demande de brevet.
Nouveaux biomatériaux pour la biocatalyse industrielle : les mousses enzymatiques forment des réseaux poreux tridimensionnels avec une structure stable en nid d'abeilles hexagonal.
Julian Hertel, KIT
Pour continuer à développer le domaine de la biocatalyse industrielle, qui est surtout utilisée dans la fabrication de produits pharmaceutiques et de produits chimiques spéciaux, les chercheurs travaillent intensément sur de nouvelles technologies de processus. Dans la biocatalyse, les enzymes accélèrent les réactions à la place des catalyseurs chimiques, ce qui permet d'économiser des matières premières et de l'énergie. L'objectif est maintenant de produire des biocatalyseurs enzymatiques en continu et en grandes quantités dans des conditions aussi douces que possible. Pour que des transformations de substances efficaces soient réalisables, les enzymes sont immobilisées dans des réacteurs à flux continu microstructurés. Elles sont alors spatialement fixées et liées à un matériau réactif, ce qui limite leur mobilité et permet une plus grande concentration d'enzymes et donc une meilleure productivité.
Micro-gouttelettes expansées d'enzymes auto-organisatrices
Normalement, les enzymes modifient leur structure lorsqu'elles moussent et perdent ainsi leur activité biocatalytique. Or, les nouvelles mousses de protéines ont une durée de vie et une activité énormes. L'activité est une mesure de l'efficacité de l'enzyme, qui veille à ce que les substances de départ réagissent entre elles le plus rapidement possible. Pour produire les mousses protéiques, on mélange deux enzymes déshydrogénases qui portent des sites de liaison adaptés l'un à l'autre, de sorte qu'elles peuvent former spontanément un réseau protéique stable. "Ce mélange est ensuite mélangé à un flux de gaz dans une puce microfluidique afin de former de manière contrôlée des bulles microscopiques de taille uniforme", explique le professeur Christof Niemeyer de l'Institut des interfaces biologiques-1. La mousse ainsi obtenue, avec des bulles de taille uniforme, est directement appliquée sur des puces en plastique et séchée, ce qui permet aux protéines de se polymériser et de former un réseau hexagonal stable.
"Il s'agit de mousses monodisperses "entièrement enzymatiques", c'est-à-dire de réseaux tridimensionnels et poreux composés exclusivement de protéines actives sur le plan biocatalytique", explique Niemeyer pour caractériser la composition des nouveaux matériaux. La structure hexagonale stable en nid d'abeilles des mousses possède un diamètre de pore moyen de 160 µm et une épaisseur de lamelle de 8 µm et se forme au bout de quelques minutes à partir des bulles sphériques de taille à peu près identique qui viennent d'être fabriquées.
Utiliser efficacement des mousses enzymatiques complètes actives et stables
Pour pouvoir utiliser efficacement des enzymes pour des transformations de substances, il faut les immobiliser en grande quantité dans des conditions aussi douces que possible afin de préserver leur activité. Jusqu'à présent, les enzymes ont été immobilisées sur des polymères ou des particules de support, mais cela nécessite un espace précieux dans le réacteur et peut nuire à l'activité. "Par rapport à nos "hydrogels enzymatiques complets" déjà développés, les nouveaux matériaux à base de mousse génèrent une surface nettement plus grande sur laquelle la réaction souhaitée peut avoir lieu", explique Niemeyer pour décrire la principale amélioration. Contrairement aux résultats attendus en théorie, les nouvelles mousses présentent de manière surprenante une durabilité, une résistance mécanique et une activité catalytique des enzymes remarquablement élevées, ce qui n'avait pas été possible jusqu'à présent pour le moussage des protéines.
Les chercheurs supposent que la stabilité est due à la correspondance des sites de liaison dont sont dotées les enzymes. Elles peuvent ainsi s'assembler d'elles-mêmes et former un réseau hautement réticulé pendant le séchage, ce qui confère au nouveau matériau une stabilité unique. "Étonnamment, les mousses enzymatiques nouvellement développées sont nettement plus stables après séchage pendant quatre semaines que les mêmes enzymes sans mousses", explique Niemeyer pour illustrer les avantages, "ce qui est très intéressant pour la commercialisation, car cela simplifie considérablement la production de stocks et l'expédition".
Les nouveaux biomatériaux ouvrent de multiples voies pour des innovations dans la biotechnologie industrielle, les sciences des matériaux ou encore la technologie alimentaire. Ainsi, les mousses de protéines pourraient être utilisées dans des processus biotechnologiques pour produire des composés précieux de manière plus efficace et durable. L'équipe de recherche a pu montrer qu'à l'aide des mousses, il est possible de produire du tagatose, un sucre précieux pour l'industrie, qui représente une alternative prometteuse au sucre raffiné comme édulcorant.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Julian S. Hertel, Patrick Bitterwolf, Sandra Kröll, Astrid Winterhalter, Annika J. Weber, Maximilian Grösche, Laurenz B. Walkowsky, Stefan Heißler, Matthias Schwotzer, Christof Wöll, Thomas van de Kamp, Marcus Zuber, Tilo Baumbach, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer: "Biocatalytic Foams from Microdroplet-Formulated Self-Assembling Enzymes."; Advanced Materials, 2023.
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