Nous avons appris à la nature à manger nos déchets.

« La nature est un chimiste extraordinaire et son répertoire comprend désormais la rupture des liaisons dans les siloxanes que l’on pensait jusqu’à présent échapper à l’attaque des organismes vivants. »Frances Arnold, professeur Linus Pauling de génie chimique, de bio-ingénierie et de biochimie à Caltech et lauréat du prix Nobel 2018, s’associe à cette déclaration, a ouvert la voie à la possibilité de débarrasser la planète du plastique.

Arnold et ses collègues, dont Dimitris (Dimi) Katsoulis de la société Dow Inc. basée dans le Michigan, ont utilisé l’évolution dirigée (recherche et découverte pour lesquelles Arnold a remporté le prix de l’innovation de l’Union européenne). Prix Nobel) pour créer une nouvelle enzyme permettant de couper les liaisons silicium-carbone. L’étude « Directed evolution of enzymatic silicon-carbon bond cleavage in siloxanes » (Évolution dirigée du clivage enzymatique de la liaison silicium-carbone dans les siloxanes). a été publié dans le numéro de janvier de la revue Science.

Bien que la possibilité de confier à cette enzyme la tâche de nettoyer nos océans du plastique soit toujours d’actualité, il n’en demeure pas moins qu’il est difficile d’en tirer des conclusions. « une décennie » de nous, son développement rend cette perspective possible.

« Des organismes, par exemple, pourraient évoluer dans des environnements riches en siloxane pour catalyser une réaction similaire, ou des versions améliorées d’enzymes évoluées en laboratoire comme celle-ci pourraient être utilisées pour traiter les contaminants au siloxane dans les eaux usées. »Le professeur Arnold a expliqué les implications pratiques de cette découverte.

Katsoulis a ajouté que si la nature n’utilise pas les liaisons silicium-carbone « nous le faisons et nous avons commencé à le faire il y a environ 80 ans. La nature volatile de certains de ces composés signifie donc que la recherche en matière de santé et d’environnement doit comprendre de manière adéquate les mécanismes de dégradation de ces matériaux dans l’environnement.« .

Les siloxanes sont présents dans d’innombrables produits, notamment dans les produits d’entretien ménager et de soins personnels, ainsi que dans les secteurs de l’automobile, de la construction, de l’électronique et de l’aérospatiale. La structure chimique de ces composés est constituée de liaisons silicium-oxygène, tandis que des groupes contenant du carbone, souvent des méthyles, sont attachés aux atomes de silicium.

« Le squelette silicium-oxygène confère au polymère un caractère inorganique, tandis que les groupes silicium-méthyle lui confèrent des caractéristiques organiques. Par conséquent, ces polymères ont des propriétés matérielles uniques, telles qu’une grande stabilité thermique et oxydative, une faible tension superficielle et, entre autres, une grande flexibilité du squelette ».explique Katsoulis.

Les siloxanes persistent dans l’environnement pendant des jours ou des mois, il est donc impératif de comprendre les risques possibles pour la santé et la sécurité de l’environnement.. Leurs substances chimiques commencent naturellement à se fragmenter en morceaux plus petits, en particulier dans le sol ou les milieux aquatiques, et ces fragments deviennent volatils ou s’échappent dans l’airoù ils se dégradent en réagissant avec les radicaux libres présents dans l’atmosphère. De toutes les liaisons des siloxanes, les liaisons silicium-carbone sont les plus lentes à se rompre, expliquent les universitaires.

M. Katsoulis a contacté M. Arnold pour collaborer à ce projet. pour accélérer la dégradation du siloxane après avoir lu les travaux de son laboratoire à « convaincre » la nature à produire des liaisons silicium-carbone. En 2016, Arnold et ses collègues ont utilisé l’évolution dirigée pour créer une protéine bactérienne appelée cytochrome C pour former des liaisons silicium-carbone, un processus qui ne se produit pas naturellement.

Nous avons décidé de « demander » à la nature de faire ce que seuls les chimistes peuvent faire, mais beaucoup mieux.a déclaré Arnold dans un Communiqué de presse Caltech. La recherche a également montré que la biologie pourrait créer ces liens par le biais de processus plus durable pour l’environnement que celles traditionnellement utilisées par les chimistes.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont voulu trouver des moyens de de rompre les liens au lieu de les créer. Les scientifiques ont utilisé l’évolution dirigée pour faire évoluer une enzyme bactérienne appelée cytochrome P450.

De même que un éleveur qui identifie les traits les plus désirables dans les lignées génétiques de ses animaux, en les croisant pour qu’ils l’emportent sur les autres.les universitaires ont donc identifié une variante du cytochrome P450 dans leur collection d’enzymes, ce qui leur a permis d’obtenir un résultat positif. avait la capacité de rompre les liaisons silicium-carbone dans les méthylsiloxanes volatils linéaires et cycliques, mais très faiblement.

Mutation de l’ADN ont créé et testé de nouvelles variantes d’enzymesidentifiant les plus prometteurs et les mutant à nouveau, jusqu’à ce qu’ils atteignent le résultat qu’ils s’étaient fixé, à savoir une enzyme suffisamment active pour rompre les liaisons artificielles entre le silicium et le carbone.

« L’évolution des enzymes permettant de rompre ces liaisons dans les siloxanes a présenté des obstacles uniques. Grâce à l’évolution dirigée, nous avons évalué des centaines de nouvelles enzymes en parallèle afin d’identifier des variantes d’enzymes ayant une activité améliorée. »Tyler Fulton (PhD ’22), co-auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral à Caltech dans le laboratoire d’Arnold. L’une des difficultés rencontrées a été le lessivage des molécules de siloxane des composants IC en plastique des plaques à 96 puits utilisées pour sélectionner les variants. Pour résoudre ce problème, l’équipe a créé de nouvelles plaques à partir de fournitures de laboratoire courantes.

« Un autre défi consistait à trouver l’enzyme initiale pour le processus d’évolution dirigée qui présentait ne serait-ce qu’une petite quantité de l’activité souhaitée ».déclare Arnold. « Nous l’avons trouvé dans notre collection unique de cytochromes P450 qui ont évolué dans le laboratoire pour d’autres types de chimie du silicium qui sont nouveaux dans la nature ».

L’enzyme finale améliorée ne clive pas directement la liaison silicium-carbone mais oxyde un groupe méthyle dans les siloxanes en deux étapes successives. Fondamentalement, cela signifie que deux liaisons carbone-hydrogène sont remplacées par des liaisons carbone-oxygène, et ce changement permet à la liaison silicium-carbone de se rompre plus facilement.

La recherche établit des parallèles avec des études portant sur les une enzyme mangeuse de plastique, a expliqué M. Fulton, faisant référence à une enzyme de dégradation du polyéthylène téréphtalate (PET) découverte dans la bactérie Ideonella sakaiensis en 2016 par un autre groupe de chercheurs (ici l’étude)

« Bien que l’enzyme dégradant le PET ait été découverte par la nature plutôt que par des ingénieurs, cette enzyme a inspiré d’autres innovations qui portent enfin leurs fruits dans le domaine de la dégradation des plastiques.. Nous espérons que cette démonstration inspirera également d’autres travaux pour aider à décomposer les composés de siloxane »..