L'AFC félicite ses 3 lauréats du prix de thèse 2022.
Dariusz Czernecki remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique biologie pour son travail de recherche intitulé "Discovery and structure-function studies of key factors behind the non-canonical ZTGC-DNA observed in Siphoviridae family", travail réalisé sous la direction du Dr Marc Delarue à l'Institut Pasteur.
Laura Paradis-Fortin remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique chimie pour son travail de recherche intitulé "Germanite derivative materials: synthesis, crystallographic structure from multi-scale characterizations and thermoelectric properties", travail réalisé sous la direction des Drs Emmanuel Guilmeau et Stéphane Cordier de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes et le laboratoire CRISMAT à Caen.
Corentin Chatelier remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique physique pour son travail de recherche intitulé “On the surface structures and catalytic properties of Al-based intermetallics”, travail réalisé sous la direction da la Pr Emilie Gaudry et le Dr Laurent Piccolo dans le cadre d’une collaboration entre l’Insitut Jean Lamour à Nancy et le synchrotron SOLEIL.
J'ai effectué mes études de doctorat sous la direction du Dr Marc Delarue, dans l’unité « Architecture et Dynamique des Macromolécules Biologiques » à l’Institut Pasteur. L’objectif de ma thèse était de déterminer le chemin métabolique permettant de remplacer l’adénine (A) par la 2-aminoadénine (Z) dans le génome du bactériophage S-2L.
Environ 40 ans avant le début de ma recherche, une découverte surprenante a établi que ce phage, isolé d’un échantillon d’eau en Russie, possède un ADN avec des propriétés thermodynamiques et structurales extraordinaires1. Cet ADN a une stabilité accrue qui résulte de la présence de 2-aminoadénine, une nucléobase atypique qui prend la place d’adénine. La 2-aminoadénine et la thymine (T) forment la paire Z:T, liée par trois liaisons hydrogène – par contraste, la paire habituelle A:T ne possède que deux liaisons hydrogène. Avec la paire G:C classique, l’ADN « ZTGC » du phage S-2L est alors saturé en liaisons hydrogène ; le groupe amine supplémentaire lui confère une résistance aux enzymes de réstriction de l’hôte2. Néanmoins, les questions de savoir comment la 2-aminoadénine est synthétisée, et comment le phage évite l’incorporation d’adénine dans son génome, restaient inexpliquées.
Pendant mes travaux, j’ai d’abord re-annoté le génome de S-2L et identifié une primase-polymérase, PrimPol, capable de répliquer l’ADN. Cépendant, j’ai déterminé qu’elle possède la capacité d’incorporer les deux substrats triphosphates dans le brin naissant, le dATP et le dZTP. J’ai ensuite caractérisé une triphosphatase, appelée DatZ, conservée chez S-2L et les autres bactériophages Caudovirales proches. J’ai démontré que DatZ est responsable de la dégradation rapide et spécifique du dATP. J’ai resolu les structures crystallographiques de PrimPol et DatZ ; notamment, trois structures différentes de DatZ avec ses cofacteurs métalliques, son substrat et le produit – la dernière à 0.86 Å de résolution – m’ont permis de décrire le mécanisme moleculaire de cette famille de protéines comme un « mécanisme à deux ions métalliques »3.
A. Le site catalytique de DatZ avec un des ions métalliques et le produit de réaction, dA. En noir, la densité électronique experimentale, déterminée à 0.86 Å de résolution ; en rouge, le fort signal anomal du Zn. B. Le chemin métabollique du ZTGC-DNA chez le cyanophage S-2L, avec les structures des protéines que j’ai résolues pendant ma thèse. |
J’ai également mis en évidence que PurZ, l’enzyme-clé pour la production de la diaminopurine4, est non seulement une ATPase mais aussi une dATPase, et donc peut dégrader dATP pour utiliser son énergie chimique lors de la réaction. Finalement, chez S-2L et les bactériophages proches j’ai identifié une nucléotide pyrophosphatase, appelée MazZ. J’ai montré qu’elle convertit spécifiquement dGTP en dGMP, en générant ainsi un des substrats de PurZ. En résolvant les structures de PurZ et MazZ, j’ai établi d’où leurs spécificités respectives proviennent. Dans une épreuve finale, j’ai exprimé les gènes datZ, mazZ et purZ chez E. coli, qui était suffisant pour remplacer une fraction importante de l’adénine génomique bactérienne par la 2-aminoadénine5.
Pendant ma thèse, j’ai aussi caractérisé une structure d’une ADN polymérase Z-spécifique de famille A. Cette polymérase, dénomée DpoZ, est absente dans le génome de S-2L, et pourtant présente chez les phages proches avec datZ, mazZ et purZ, y compris le vibriophage φVC86. J’ai pu dévoiler la position des mutations caractéristiques des DpolZ « φVC8-like », étblissant néanmoins qu’elles n’expliquent pas la spécificité inhabituelle de l’enzyme. Cependant, les deux formes allosteriques observées dans le cristal de DpoZ font preuve de sa dynamique unique, et peuvent mener au « backtracking » augmenté au cas d’une liaison entre A et T relativement faible7.
Ma recherche impacte directement les champs de la biologie fondamentale et la biologie synthétique des acides nucléiques. Elle fournit un example de comment la synthèse d’un nouvel élément porteur d’une information génétique peut être réalisée in vivo.
Références :
1. Kirnos, M. D., Khudyakov, I. Y., Alexandrushkina, N. I. & Vanyushin, B. F. 2-Aminoadenine is an adenine substituting for a base in S-2L cyanophage DNA. Nature 270, 369 (1977).
2. Szekeres, M. & Matveyev, A. V. Cleavage and sequence recognition of 2,6-diaminopurine-containing DNA by site-specific endonucleases. FEBS Letters 222, 89–94 (1987).
3. Czernecki, D. et al. How cyanophage S-2L rejects adenine and incorporates 2-aminoadenine to saturate hydrogen bonding in its DNA. Nature Communications 12, 2420 (2021).
4. Sleiman, D. et al. A third purine biosynthetic pathway encoded by aminoadenine-based viral DNA genomes. Science 372, 516–520 (2021).
5. Czernecki, D., Bonhomme, F., Kaminski, P.-A. & Delarue, M. Characterization of a triad of genes in cyanophage S-2L sufficient to replace adenine by 2-aminoadenine in bacterial DNA. Nat Commun 12, 4710 (2021).
6. Pezo, V. et al. Noncanonical DNA polymerization by aminoadenine-based siphoviruses. Science 372, 520–524 (2021).
7. Czernecki, D., Hu, H., Romoli, F. & Delarue, M. Structural dynamics and determinants of 2-aminoadenine specificity in DNA polymerase DpoZ of vibriophage ϕVC8. Nucleic Acids Research (2021) doi:10.1093/nar/gkab955.
Mon doctorat a été réalisé en codirection entre l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes à Rennes et le laboratoire CRISMAT à Caen sous la direction d’Emmanuel Guilmeau (CRISMAT) et de Stéphane Cordier (ISCR) et le co-encadrement de Pierric Lemoine (ISCR). Le 16 décembre 2019 J'ai soutenu ma thèse de doctorat sous le titre ‘‘Germanite derivative materials: synthesis, crystallographic structure from multi-scale characterizations and thermoelectric properties’’. Mes quatre visites aux lignes de diffraction neutronique D1B et D2B de l'Institut Laue Langevin ainsi qu’à la ligne CRISTAL au synchrotron SOLEIL m'ont permis de mener des études structurales poussées. L'intégralité de mes travaux de thèse se sont portés sur la germanite, minéral caractérisé par la formule riche en cuivre ‘‘Cu26Fe4Ge4S32’’ présentant une symétrie cubique (a = 10.59 Å, P-43n)1 et dont la structure est dérivée de la célèbre sphalérite ZnS (F-43m). La structure reportée par Tettenhorst et al. consiste en un squelette de sphalérite semi-ordonné [Cu24Fe4Ge4S32] constitué de tétraèdres [CuS4], [FeS4] et [GeS4], joints par les sommets. Selon Tettenhorst, dans cette structure, les sites 6c, 6d et 12f sont occupés par Cu, alors que Fe et Ge sont statistiquement répartis sur le même site 8e. Le réseau de sphalérite forme des sites tétraédriques interstitiels, parmi lesquels, selon les auteurs, le site 2a est rempli d'atomes de Cu restants. Cependant, le modèle structural proposé par Tettenhorst ne parvient pas à prendre en compte de manière satisfaisante l'intensité des pics de surstructure mis en évidence sur les diagrammes de diffraction.2
Dans ce contexte, nous proposons une méthode pour résoudre la structure des matériaux à faible contraste chimique en utilisant la germanite synthétique Cu22Fe8Ge4S32 comme étude de cas.3 En effet, le faible contraste chimique des cations Cu1+, Ge4+ et Fe3+ vis-à-vis de la diffraction des neutrons et des rayons-X, couplé à l'arrangement structural complexe (e.g. positions cationiques coordonnée par des tétraèdres de soufre et occupation mixte des sites cristallographiques), entrave la résolution structurale de la germanite par les techniques conventionnelles. Au meilleur de notre connaissance, la diffusion résonante est la seule méthode de diffraction permettant d’obtenir un contraste chimique élevé dans le cas de la germanite. Toutefois, la répartition systématique des 34 cations de la germanite sur les 5 sites cationiques génère plus de 18 000 modèles structuraux possibles. De ce fait, nous avons développé une approche alternative inspirée de la chimie combinatoire qui consiste à tester directement tous les modèles physiquement et chimiquement viables sur les affinements Rietveld des données expérimentales. La méthode est basée sur deux modules écrits en langage python qui effectuent les différentes tâches suivantes : (i) un module qui s'occupe de la création et de la mise en ordre des modèles (ii) un analyseur python pour la gestion de l'information fournie et émise par FullProf. Des caractérisations préliminaires par spectroscopie Mössbauer et diffraction des rayons X sur monocristaux ont permis de réduire le nombre de modèles structuraux à 186. En croisant les modèles ayant le facteur d’accord sur les réflexions de Bragg le plus bas pour les affinements Rietveld effectués à 4 énergies différentes (proches des seuils d’absorption de chacun des 3 cations et à haute énergie, loin de ces seuils) nous avons réduits à deux distributions cationiques plausibles.
Augmentation de l'intensité du pic (210) avec la variation de l'énergie du faisceau incident près du Ge K-edge.3
Afin de mener à bien cette étude complexe, il m’a fallu d'obtenir des échantillons de germanite de bonne pureté en tube scellé sous vide; à cette fin, un important travail d'optimisation des conditions réactionnelles a été réalisé.4,5 L’identification des phases en présence par affinement de Lebail sur des mesures de diffraction des neutrons réalisées in situ nous ont permis d’établir les mécanismes réactionnels prenant place lors des synthèses. De plus, une étude de la stabilité de phase/décomposition de la germanite a permis une meilleure compréhension du comportement des propriétés thermoélectriques (TE) en température. En outre, l'influence des techniques de synthèse et de densification sur la structure, la microstructure et les propriétés TE de Cu22Fe8Ge4S32 sont décrites à travers la comparaison de deux approches de synthèse de poudre, combinées à deux méthodes de densification.
Suite à la maîtrise des conditions de synthèse, j'ai étudié l'influence de deux types de substitution cationique (isovalente et aliovalente) sur la structure ainsi que leur impact sur les propriétés. Tout d'abord, une substitution Cu-Zn dans la série germanite Cu22-xZnxFe8Ge4S32 (0 ≤ x ≤ 2)6 a été faite dans le but de modifier la concentration en porteur de charge ; un travail comparable a déjà été reporté dans la colusite7 et tétraédrite8. Signalons que cette substitution tend vers la stœchiométrie naturelle de la renierite Cu20Zn2Fe8Ge4S32, qui cristallise en P-42c la déformation tétragonale directe de la germanite P-43n. Le changement de composition pourrait donc introduire un désordre structural pouvant conduire à la réduction de la conductivité thermique de réseau. Par la suite, une substitution isovalente de Ge par Sn dans la série Cu22Fe8Ge4-xSnxS32 (0 ≤ x ≤ 4), a été réalisée dans le but de réduire la conductivité thermique de réseau par la création d'un désordre cationique par effet d'alliage.
Références :(1) Tettenhorst, R. T.; Corbato, C. E. Crystal Structure of Germanite, Cu26Ge4Fe4S32, Determined by Powder X-Ray Diffraction. Am. Mineral. 1984, 69 (9–10), 943–947.
(2) Pavan Kumar, V.; Paradis-Fortin, L.; Lemoine, P.; Caignaert, V.; Raveau, B.; Malaman, B.; Le Caër, G.; Cordier, S.; Guilmeau, E. Designing a Thermoelectric Copper-Rich Sulfide from a Natural Mineral: Synthetic Germanite Cu22Fe8Ge4S32. Inorg. Chem. 2017, 56 (21), 13376–13381. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b02128.
(3) Paradis-Fortin, L.; Lemoine, P.; Guilmeau, E.; Malaman, B.; Elkaïm, E.; Zitolo, A.; Cordier, S.; Guélou, G.; Raveau, B.; Prestipino, C. Resolution of the Cationic Distribution in Synthetic Germanite by Synchrotron Resonant Powder Diffraction: A Case Study and Guidelines for Analogous Compounds. J. Mater. Chem. A 2022, submitted.
(4) Paradis-Fortin, L.; Lemoine, P.; Prestipino, C.; Pavan Kumar, V.; Raveau, B.; Nassif, V.; Cordier, S.; Guilmeau, E. Time-Resolved in Situ Neutron Diffraction Study of Cu22Fe8Ge4S32 Germanite: A Guide for the Synthesis of Complex Chalcogenides”. Chem. Mater. 2020, 32 (20), 8993–9000.
(5) Paradis-Fortin, L.; Guélou, G.; Pavan Kumar, V.; Lemoine, P.; Prestipino, C.; Merdrignac-Conanec, O.; Durand, G. R.; Cordier, S.; Lebedev, O. I.; Guilmeau, E. Structure, Microstructure and Thermoelectric Properties of Germanite-Type Cu22Fe8Ge4S32 Compounds. J. Alloys Compd. 2020, 831, 154767. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154767.
(6) Pavan Kumar, V.; Paradis-Fortin, L.; Lemoine, P.; Le Caër, G.; Malaman, B.; Boullay, P.; Raveau, B.; Guélou, G.; Guilmeau, E. Crossover from Germanite to Renierite-Type Structures in Cu22-xZnxFe8Ge4S32 Thermoelectric Sulfides. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2 (10), 7679–7689. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01681.
(7) Bourgès, C.; Gilmas, M.; Lemoine, P.; Mordvinova, N. E.; Lebedev, O. I.; Hug, E.; Nassif, V.; Malaman, B.; Daou, R.; Guilmeau, E. Structural Analysis and Thermoelectric Properties of Mechanically Alloyed Colusites. J. Mater. Chem. C 2016, 4 (4), 7455–7463. https://doi.org/10.1039/c6tc02301k.
(8) Lu, X.; Morelli, D. T.; Xia, Y.; Ozolins, V. Increasing the Thermoelectric Figure of Merit of Tetrahedrites by Co-Doping with Nickel and Zinc. Chem. Mater. 2015, 27 (2), 408–413. https://doi.org/10.1021/cm502570b.
De nos jours, la catalyse joue un rôle crucial dans l’industrie chimique. Il existe une demande forte de la part des industriels pour des catalyseurs actifs, sélectifs, stables, ayant un impact environnemen- tal minimal, tout en restant peu coûteux (réduction de l’utilisation de métaux nobles). L’hydrogénation sélective des alcynes et des alcènes est une classe de réaction importante de la chimie industrielle. Les catalyseurs industriels sont actuellement à base de palladium, et bien qu’actifs et stables, leur sélecti- vité n’est pas optimale. Au cours de la dernière décennie, de nouveaux catalyseurs ont été identifiés : les intermétalliques complexes à base d’aluminium. Ces derniers sont stables, sélectifs, bon marché, et ont un impact très limité sur l’environnement.
L’objectif de mes travaux de thèse est de déterminer les structures de surfaces de certains de ces intermétalliques complexes, de comprendre les phénomènes d’adsorption intervenants à leurs surfaces et d’étudier leurs réactivités spécifiques. Une approche transverse a été choisie afin de mener à bien cette étude, et combine des calculs ab inito de chimie quantique, des mesures de diffraction de surface des rayons X, de la microscopie à effet tunnel ainsi que des mesures de performances catalytiques sur des monocristaux. Trois composés de la famille des intermétalliques complexes à base d’aluminium ont été choisis : Al5Co2 [1], Al13Co4 [2] et Al13Fe4 [3].
La première étude s’intéresse à la structure de la surface (210) du composé Al5Co2. Il a été montré expérimentalement que cette surface est un catalyseur potentiel de la semi-hydrogénation du buta- diène. Des mesures STM et de diffraction de surface des rayons X (SXRD) couplés à des calculs DFT ont permis de décrire la structure atomique de surface, composée par maille cristallographique de deux bi- pentagones d’aluminium entourant chacun un seul atome de cobalt isolé. La présence de ces derniers permet d’expliquer (par simulations DFT) la sélectivé de cette surface vis-à-vis de la semi-hydrogénation du butadiène [4].
La deuxième étude porte sur la structure de la surface (010) de l’intermétallique complexe o-Al13Co4 et sur ses propriétés d’adsorption de l’hydrogène. Une étude récente [5] a montré que cette surface était elle aussi active et sélective vis-à-vis de la semi-hydrogénation du butadiène. Les analyses STM et SXRD ont mis en évidence la présence de terraces o-Al13Co4(010) et de facettes m-Al13Co4(201). Des calculs DFT associés aux mesures SXRD ont permis d’établir les structures atomiques des terraces et des facettes, mettant en évidence des sites d’adsorption très favorables pour l’hydrogène, dont l’énergie d’adsorption est un descripteur d’intétêt pour les réactions d’hydrogénation [6, 7].
La dernière étude s’intéresse à la structure de la surface (010) de m-Al13Fe4 et de sa réactivité vis-à-vis de la réaction d’hydrogénation du butadiène. Des calculs DFT couplés à des mesures STM et SXRD ont permis de confirmer la structure atomique de surface, composée par maille cristallographique de deux pentagones d’aluminium entourant chacun un atome de fer isolé. Ces atomes isolés sont des sites d’adsorption et de réaction très particuliers; ils permettent ainsi d’expliquer (par simulations DFT et modélisation microcinétique) la sélectivé et la réactivité à température ambiante de cette surface pour la semi-hydrogénation du butadiène [8].
Références:
[1] M. Meier, J. Ledieu, V. Fournée, and E. Gaudry. Semi-hydrogenation of acetylene on Al5Co2 surfaces. J. Phys. Chem. C, 121 :4958–4969, 2017.
[2] D. Kandaskalov, J. Ledieu, V. Fournée, and É. Gaudry. Catalytic Semihydrogenation of Acetylene on the (100) Surface of the o-Al13Co4 Quasicrystalline Approximant : Density Functional Theory Study. J. Phys. Chem. C, 2017.
[3] M. Armbrüster, K. Kovnir, M. Friedrich, D. Teschner, G. Wowsnick, M. Hahne, P. Gille, L. Szentmiklosi, M. Feuerbacher, M. Heggen, F. Girgsdies, D. Rosenthal, R. Schlögl, and Y. Grin. Al13Fe4 as a low-cost alternative for palladium in heterogeneous hydrogenation. Nat. Mater., 11 :690–693, 2012.
[4] C. Chatelier, Y. Garreau, L. Piccolo, A. Vlad, A. Resta, J. Ledieu, V. Fournée, M.-C. de Weerd, F.-E. Picca, M. de Boissieu, R. Felici, A. Coati, and É. Gaudry. From the Surface Structure to Catalytic Properties of Al5Co2(210) : A Study Combining Experimental and Theoretical Approaches. J. Phys. Chem. C, 124(8) :4552–4562, 2020.
[5] L. Piccolo, C. Chatelier, M.-C. de Weerd, F. Morfin, J. Ledieu, V. Fournée, P. Gille, and É. Gaudry. Catalytic properties of Al13TM4 complex intermetallics : influence of the transition metal and the surface orientation on butadiene hydrogenation. Sci. Tech. Adv. Mat., 2019.
[6] Corentin Chatelier, Yves Garreau, Alina Vlad, Julian Ledieu, Andrea Resta, Vincent Fournée, Marie-Cécile de Weerd, Alessandro Coati, and Émilie Gaudry. Pseudo-2-fold surface of the Al13Co4 catalyst : structure, stability, and hydrogen adsorption. ACS Applied Materials and Interfaces, 12(35) :39787–39797, 2020.
[7] Émilie Gaudry, Corentin Chatelier, David Loffreda, Dmytro Kandaskalov, Alessandro Coati, and Laurent Piccolo. Catalytic activation of a non-noble intermetallic surface through nanostructuration under hydrogenation conditions revealed by atomistic thermodynamics. Journal of Materials Chemistry A, 8 :7422–7431, 2020.
[8] L. Piccolo and L. Kibis. The partial hydrogenation of butadiene over Al13Fe4 : A surface-science study of reaction and deactivation mechanisms. J. Catal., 332 :112–118, 2015.