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Biopiles : des enzymes dans leur plus simple appareil… (le 06/11/2009)

Biopiles : des enzymes dans leur plus simple appareil… (le 06/11/2009)

Les biopiles sont des piles à combustibles qui reposent sur des réactions biocatalytiques aux électrodes pour convertir les combustibles chimiques présents dans les tissus vivants en puissance électrique. L’une des applications visées concerne l’élaboration de sources d’énergie pour alimenter des appareils médicaux implantables dans le corps humain (par exemple pour le suivi et la régulation du taux de sucre dans le sang des diabétiques). Les biopiles étudiées au laboratoire sont des biopiles à glucose-oxygène dans lesquelles les réactions d’oxydoréduction mises en jeu sont catalysées par des enzymes.

Schéma de la glucose oxydase disposée sur une électrode de carbone (en noir) Schéma de la glucose oxydase disposée sur une électrode de carbone (en noir) : mise en présence d’une solution de glucose, la glucose oxydase « dénudée » (à droite), avec un centre actif plus accessible, permet un transfert d’électrons vers l’électrode beaucoup plus efficace que lorsque la glucose oxydase est recouverte de sa gangue de glycanes (en gris, à gauche)

Les résultats de l’équipe de Nicolas Mano portent sur la glucose oxydase (GOx) qui est l’enzyme catalysant l’oxydation du glucose.

Pour que la biopile fonctionne efficacement, il faut non seulement que le glucose, source d’énergie, soit oxydé par la GOx en lui transférant deux électrons, mais aussi que la GOx elle-même transfère rapidement ces électrons à l’électrode (électrooxydation de la GOx). Or jusqu’à présent, les tentatives pour électrooxyder la GOx directement à la surface d’une simple électrode de carbone vitreux ou d’or sont restées inefficaces. Ainsi, les équipes de recherche travaillant sur ce sujet à travers le monde ont dû mettre en oeuvre des stratégies complexes utilisant des médiateurs rédox, des électrodes modifiées avec des nanotubes de carbone, ou bien encore des nanoparticules conductrices pour faciliter le transport des électrons entre le site actif de l’enzyme et l’électrode. Cet échec du transfert direct d’électrons est attribué à une trop longue distance séparant le site actif de l’enzyme de la surface de l’électrode : ce centre actif est en effet profondément enfoui au sein de la structure de l’enzyme, à plus de 15 Å de la surface de la protéine.

Pour y remédier, l’équipe de Nicolas Mano a ainsi mené un travail de biochimie sur la GOx afin de la débarrasser d’une large partie de sa gangue de glycanes (déglycolysation), obtenant ainsi une enzyme « dénudée » avec un centre actif plus proche de la surface de la protéine. Les résultats sont spectaculaires : lorsqu’une monocouche de cette GOx modifiée est immobilisée sur une simple électrode en carbone vitreux, l’électrooxydation du glucose devient beaucoup plus efficace, et commence à un potentiel d’oxydoréduction jamais atteint auparavant. De plus, le glucose est directement électrooxydé avec production d’une densité de courant de 235 µA.cm-2.

Cette obtention d’un transfert direct d’électrons entre la GOx et la surface d’une électrode, évitant la mise en œuvre de stratégies complexes de médiation des électrons, a valu à l’équipe une publication dans la revue Angewandte Chemie qui a choisi de la sélectionner parmi ses « Hot Papers » du mois de juillet 2009 [1].

[1] O. Courjean, F. Gao, N. Mano, « Deglycosylation of Glucose Oxidase for Direct and Efficient Glucose Electrooxidation on a Glassy Carbon Electrode », Angewandte Chemie International Edition, vol. 48, pp. 5897-5899 (2009).

Pour plus d’information, suivre le lien vers la publication.