Influence d'effets plasmoniques sur l'activité catalytique d'enzymes

 

Marc André Gauthier

Institut national de la recherche scientifique [INRS]

 

Domaine : matériaux

Programme projet de recherche en équipe

Concours 2018-2019

L'enthousiasme mondial pour la nanotechnologie soulève quelques préoccupations sur l'impact potentiellement nocif des nanomatériaux sur la Santé et l'environnement. Plus précisément, les nanoparticules d'or (AuNPs) possèdent un certain nombre de propriétés intéressantes qui sont actuellement exploitées en électronique, en catalyse, en vectorisation de médicaments, en thérapie photodynamique/photothermique, en imagerie biologique et en biodétection. Cependant, un aspect particulièrement intéressant – ou préoccupant– à considérer est que les AuNPs peuvent potentiellement altérer la fonction des biomolécules qu'elles rencontrent. En effet, l'interaction entre des surfaces/nanoparticules métalliques et certaines enzymes, telles que celles ayant un site catalytique de type hème, est bien documentée. Ce type d'enzyme est notamment impliqué dans plusieurs fonctions essentielles telles que : le transfert d'électrons dans la respiration cellulaire et le transport de petites molécules (par exemple O2 , CO et NO) en respiration systémique ainsi qu'en catalyse redox (oxydases, catalases et peroxydases). Les interactions AuNP–enzymes peuvent, par exemple, impliquer le transfert direct d'électron entre le métal et le site catalytique, ce qui peut altérer sa fonction.
 
Compte tenu des facteurs susmentionnés, il est concevable que l'activité catalytique d'enzymes de type hème soit influencée par le champ électrique local à la surface d'AuNPs, qui pourrait changer dramatiquement dû aux effets plasmoniques. Dans le contexte biologique, l'accumulation/agrégation d'AuNPs dans le foie pourrait potentiellement générer des structures plasmoniques qui, à leur tour, pourraient avoir un effet prononcé sur l'activité d'enzymes de type hème présentes dans cet organe.

Ce projet s'appuiera sur des résultats récemment observés par l'équipe suggérant que les effets plasmoniques d'AuNP peuvent avoir un impact énorme sur l'activité catalytique de certaines enzymes. Plus précisément, l'équipe a observé une augmentation de l'activité catalytique de la Peroxydase de Raifort par un facteur de 50 à 100 lorsque présente dans des assemblages plasmoniques d'AuNPs. Cette augmentation d'activité catalytique est 1 à 2 ordres de grandeur supérieure à celle typiquement observée lorsque les enzymes sont directement adsorbées à la surface d'AuNPs. Ce projet étudiera ainsi le mécanisme sous-jacent à cette augmentation et examinera si des résultats comparables peuvent être obtenus sur des substrats solides nano-structurés. Afin de réaliser les objectifs de ce projet, une équipe pluridisciplinaire a été assemblée avec expertise en chimie bio-organique (Prof. Marc A Gauthier, INRS) et en électrochimie (Prof. Daniel Guay, INRS).

L'établissement de relations structure-activité permettant de cartographier l'effet plasmonique sur les enzymes est important pour mieux comprendre les problèmes potentiels reliés à l'utilisation d'AuNPs ou de solides nanostructurés in vivo. De plus, ces résultats pourraient être exploités, par exemple, pour stimuler la réactivité d'oxydo-réductases industrielles (biocatalyseurs). Le Québec est un producteur important de produits dérivés du bois et, pourrait bénéficier grandement d'innovations dans la conversion enzymatique de la biomasse végétale.