Yémima Bon Saint Côme Prof. Alexander Kuhn Prof. Rolf Hempelmann

1. Développement d’électrodes optimisées pour la conception de bioréacteurs électrochimiques Yémima Bon Saint Côme Prof. Alexander Kuhn Prof. Rolf Hempelmann

2. Développement d’un bioréacteur électrochimique pour la production verte de sucres rares et de composés chiraux en large excès énantiomérique • Sucres rares • Composés chiraux • Pharmaceutique • Agro-alimentaire • Cosmétique • Pesticide

3. Développement d’un bioréacteur électrochimique pour la production verte de sucres rares et de composés chiraux en large excès énantiomérique • Composés chiraux • Sucres rares oxydation réduction Acide phénylglyoxylique D-Galactitol D-Tagatose Acide Mandélique Procédé de Chimie verte Enzyme Enzyme • Milieu aqueux • Catalyseur biologique • Conversion directe du substrat sans produits intermédiaires • Absence de produits secondaires/résidus • Économie d’atomes et d’étapes pour incorporer des fonctionnalités sans avoir à répondre à des étapes de purifications ou de séparation

4. Développement d’un bioréacteur électrochimique en tant qu’alternative verte de production de produits chimiques à haute valeur ajoutée H2 Contre électrode réactif H+ Produits + Réactifs Produit enzyme - e- Electrode de travail

5. Développement et optimisation de l’électrode de travail Matrice d’immobilisation du matériel enzymatique Optimisation du système catalytique final Mise en fonctionnement du réacteur

6. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Electrode de travail taux de conversion électrochimique satisfaisants aire de surface active importante rendements compétitifs  

7. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Electrode de travail aire de surface active importante Nanostructuration du matériau d’électrode  250-1200 nm 5HL 1HL Problématique: upscaling du cristalcolloïdal pour travailler à l’échellepilote La technique de Langmuir-Blodgett 1

8. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Technique de Langmuir-Blodgett Epandage de billes de silice Compression du film eau Transfert du film LB à la surface du substrat Immersion du substrat

9. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Technique de Langmuir-Blodgett 5nm 5nm 5nm

10. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Technique de Langmuir-Blodgett Électrode de travail à structure optimisée 5nm

11. II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique Resydrol®: un copolymère d’acideacryliqueet d’acrylatesutiliséscommepeintureélectrophorétique Electrodéposition du polymère à la surface de l’électrode par électrolyse de l’eau [1,2]: Polymère protoné non soluble Phénomène de précipitation COO- COO- COO- COOH COOH COO- COOH E(V)>0 COO- COOH H2O ½ O2 + 2H+ +2 e- [1] : Neugebauer, S.; Isik, S.; Schulte, A.; Schuhmann, W. Analytical Letters2003, 36, 2005. [2] : Szamocki, R.; Velichko, A.; Mücklich, F.; Reculusa, S.; Ravaine, S.; Neugebauer, S.; Schuhmann, W.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Electrochemistry Communications2007, 9, 2121.

12. II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique • Mesures FIB/TEM Qu, F.; Nasraoui, R.; Etienne, M.; Bon Saint Côme, Y. ; Kuhn, A.; Lenz, J.; Gajdzik, J.; Hempelmann, R.; Walcarius, A. ElectrochemistryCommunications, 2011, 13, 138

13. II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique • Mesures FIB/TEM Dépôt de Resydrol® 500 nm Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737

14. II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique • Mesures FIB/TEM Dépôt de Resydrol® 5nm

15. III. Optimisation du système catalytique Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose D-sorbitol Fructose D-sorbitol déshydrogénase DSDH NAD+ NADH NAD+/NADH: -nicotinamide adénine dinucléotide • Encapsulation des biomolécules • Polymère électrodéposé Médiateur Réduit Médiateur Oxydé Diaphorase Electrode e- Wang, Z.; Mathieu, E.; Kohring, G.-W.; Bon Saint Côme, Y.; Kuhn, A.; Walcarius, A. Electrochim. Acta2011, in press.

16. III. Optimisation du système catalytique Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose D-sorbitol Fructose NAD+ NADH Médiateur Réduit Médiateur Oxydé Electrode e-

17. III. Optimisation du système catalytique Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose NAD+ Médiateur Réduit Médiateur Oxydé Electrode e-

18. III. Optimisation du système catalytique Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose D-sorbitol Fructose NAD+ NADH Médiateur Réduit Médiateur Oxydé Electrode e-

19. III. Optimisation du système catalytique Choix du médiateur: Utilisation d’un médiateur pouvant s’adsorber à la surface de l’électrode pour former une mono-couche auto-assemblée de médiation 4-carboxy-(2,5,7-trinitro-9-fluorenylidene)-malonitrileCTNFM [4] Médiateur IMMOBILISE [4] : N. Mano, A. Kuhn, Journal of Electroanal.Chem.447 (1999) 79

20. III. Optimisation du système catalytique Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737

21. III. Optimisation du système catalytique 3HL 1HL électrode plane Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737

22. III. Optimisation du système catalytique 5nm

23. III. Optimisation du système catalytique

24. III. Optimisation du système catalytique Enzyme NAD+ O- O- Ca2+ O- O C

25. III. Optimisation du système catalytique 3 HL Électrode plane Immobilisation de l’intégralité du système biocatalytique Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737

26. IV. Mise en fonctionnement du réacteur

27. IV. Mise en fonctionnement du réacteur

28. IV. Mise en fonctionnement du réacteur • Transformation du D-sorbitol en D-fructose par le système catalytique immobilisé dans une matrice de Resydrol® • Perspectives: • Expériences sur une plus grande échelle de temps • Confirmation de la synthèse par HPLC

29. Conclusion • Un contrôle complet du système bio-électrocatalytiquede l’échelle supramoléculaire à l’échelle micrométrique: • macroporeuses et nano-structurations des intensités de synthèse supérieures • Simplification du système biocatalytique • Immobilisation complète du système • Applications potentielles: biocapteurs, biopiles à combustibles…

30. Merci pour votre attention

33. Enzyme NAD+ O- O- Ca2+ O- O C

34. Ca2+ O- O- Enzyme NAD+ O- O C

35. Facteur f d’augmentation du signal: f=

36. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle Technique de Langmuir-Blodgett Fonctionnalisation de la surface des billes NH2 Epandage de billes de silice NH2 NH2 eau NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 Transfert du film LB à la surface du substrat Fonctionnalisation de la surface du substrat

37. II. Matrice d’immobilisation du matériel enzymatique Optimisation du temps d’électrogénération: • Homogénéité du dépôt • CV du signal redox de l’Hb 10sec 60sec 30sec

38. II. Matrice d’immobilisation du matériel enzymatique Conservation de l’activité catalytique de la protéine redox

39. III. Activation et optimisation du système catalytique c 1. Communication biomolécules immobilisées/ médiateur adsorbé 2. Amélioration par ajout de polyélectrolyte cationique