Thèse Electrocatalyse Enzymatique In Cristallo H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Département de Chimie Moléculaire
Direction de la thèse : Alan LE GOFF ORCID 0000000267655859
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

Pour intégrer les enzymes dans des procédés électrocatalytiques appliqués, leur immobilisation sur électrodes est un facteur clé. Parmi les différentes stratégies de fonctionnalisation, deux modes d'immobilisation offrent des perspectives prometteuses. Dans le cas spécifique des enzymes rédox, les nanotubes de carbone (NTC) ont déjà démontré leurs propriétés exceptionnelles en termes de conductivité et de transfert d'électrons avec les sites actifs des enzymes. Une deuxième stratégie innovante consiste en l'immobilisation de cristaux d'enzymes réticulés (CLECs) à la surface d'électrodes. Les CLECs restent actifs dans des environnements normalement incompatibles avec la catalyse enzymatique : lors d'une exposition prolongée à des températures élevées, des pH extrêmes ou dans des solvants organiques .Ces deux stratégies seront combinées pour créer des nanobiohybrides innovants destinés à la réduction électrocatalytique de protons ou de CO, afin de développer et d'optimiser des dispositifs bioélectrocatalytiques efficaces. Une petite protéine rédox, la rubrédoxine, sera utilisée pour étudier les mécanismes de transfert d'électrons à l'intérieur et à l'extérieur de ces nouveaux biohybrides, ainsi que la transformation des sites actifs par insertion de complexes métalliques. La stratégie originale du projet impliquera l'immobilisation d'enzymes à base de rubrédoxine par immobilisation spécifique ou via la technologie CLEC sur des surfaces de NTC fonctionnalisées. Le projet ELECTRIC explorera l'application de ces biohybrides pour l'activation d'enzymes métalliques artificielles en surface, en vue de la réduction de H et de CO.

The transition to a sustainable energy economy requires efficient, noble-metal-free catalysts to be implemented in electrolyzers for hydrogen production and CO2 reduction. Artificial metalloenzymes (ArMs) offer a unique solution merging the selectivity of enzymes with the versatility of synthetic metal complexes that drive the reactivity. However, their practical application in electrocatalysis is often limited by stability, recyclability, and ease of handling. Immobilization strategies provide a powerful solution by anchoring artificial metalloenzymes onto solid supports without compromising activity. Such hybrid materials enable controlled environments for catalysis and improved resistance to degradation. They also facilitate catalyst recovery and integration into engineered systems such as electrolyzers or fuel cells.

In this project, we explore the design and characterization of immobilized rubredoxin-based ArMs which will acts as scaffolds for the insertion of either metallic ions or metal complexes with minimal organic ligands. A combination of biochemical engineering, inorganic synthesis, and materials science will drive the design of new biohybrids by optimizing their structural robustness, catalytic efficiency, and long-term operational stability. In this project, we will first design novel enzyme-based materials by combining two innovative strategies of immobilization: cross-linked protein crystals and functionalized carbon nanotubes