De la photosynthèse dans les bactéries pour créer des produits chimiques

Un chercheur a réussi à transformer des bactéries en des panneaux solaires miniatures afin de créer des produits utiles pour la pétrochimie.


Illustration d'artiste d'un bioréacteur (sur la gauche) chargé avec une bactérie décorée avec du sulfide de cadmium et des nanocristaux absorbant la lumière (au milieu) pour convertir la lumière, l'eau et le dioxide de carbone dans des composés chimiques utiles (sur la droite) - Crédit : Kelsey K. Sakimoto
Illustration d'artiste d'un bioréacteur (sur la gauche) chargé avec une bactérie décorée avec du sulfide de cadmium et des nanocristaux absorbant la lumière (au milieu) pour convertir la lumière, l'eau et le dioxide de carbone dans des composés chimiques utiles (sur la droite) - Crédit : Kelsey K. Sakimoto

La photosynthèse fournit de l’énergie pour la grande majorité de la vie sur terre. Mais la chlorophylle, le pigment vert que les plantes utilisent pour récolter la lumière du soleil, est relativement inefficace. Pour permettre aux humains de collecter plus d’énergie du soleil que la photosynthèse naturelle, les scientifiques ont appris aux bactéries à se couvrir de panneaux solaires minuscules qui sont très efficaces pour produire des composés utiles.

Les chercheurs ont présenté leurs travaux pendant la 254e réunion nationale de l’American Chemical Society (ACS). Plutôt que de compter sur la chlorophylle pour récolter la lumière du soleil, j’ai appris aux bactéries comment cultiver et couvrir leurs corps avec de minuscules nanocristaux à semiconducteurs selon Kelsey K. Sakimoto. Ces nanocristaux sont beaucoup plus efficaces que la chlorophylle et on peut les cultiver pour une fraction du coût des panneaux solaires.

On cherche des alternatives toujours plus efficaces aux combustibles fossiles pour les sources d’énergie et les matières premières pour la production chimique. De nombreux scientifiques ont travaillé pour créer des systèmes photosynthétiques artificiels pour générer des énergies renouvelables et des produits chimiques organiques utilisant la lumière du soleil. On a fait des progrès, mais les systèmes ne sont pas suffisamment efficaces pour la production commerciale de carburants et de matières premières.

La recherche dans le laboratoire de Yang à l’Université de Californie se concentre sur l’exploitation de semiconducteurs inorganiques qui peuvent capturer la lumière du soleil à des organismes tels que des bactéries qui peuvent ensuite utiliser l’énergie pour produire des produits chimiques utiles provenant du dioxyde de carbone et de l’eau. La recherche dans mon laboratoire consiste essentiellement à suralimenter les bactéries non-photosynthétiques en leur fournissant de l’énergie sous la forme d’électrons à partir de semi-conducteurs inorganiques, comme le sulfure de cadmium, qui sont des absorbeurs de lumière efficaces selon Yang. Nous recherchons désormais des absorbeurs de lumière plus communs que le sulfure de cadmium pour fournir de l’énergie à partir de la lumière aux bactéries.

Sakimoto a travaillé avec une bactérie non-photosynthétique naturelle, Moorella thermoacetica, qui, dans sa respiration normale, produit de l’acide acétique à partir du dioxyde de carbone (CO2). L’acide acétique est un produit chimique polyvalent qu’on peut facilement transformer en des combustibles, des polymères, des produits pharmaceutiques et des produits chimiques de base grâce à des bactéries complémentaires et génétiquement modifiées.

Quand Sakimoto a nourri les bactéries avec du cadmium et l’acide aminé cystéine, qui contient un atome de soufre, celles-ci ont synthétisé des nanoparticules de sulfate de cadmium (CdS) qui fonctionnent comme des panneaux solaires sur leurs surfaces. L’organisme hybride, M. thermoacetica-CdS, produit de l’acide acétique à partir du CO2, de l’eau et de la lumière. Une fois recouvertes par ces minuscules panneaux solaires, les bactéries peuvent synthétiser les aliments, les carburants et les plastiques en utilisant l’énergie solaire selon Sakimoto. Et ces bactéries surpassent la photosynthèse naturelle.

Les bactéries fonctionnent à plus de 80 % et le processus est auto-réplicant et auto-régénérant ce qui en fait une technologie à zéro déchet. La biologie synthétique et la capacité à réduire le CO2 seront essentielles pour que cette technologie soit utilisée pour l’industrie pétrochimique selon Sakimoto.

Est-ce que ces hybrides inorganiques-biologiques ont-ils un potentiel commercial ? Le chercheur est optimiste même si la voie est longue. De nombreux systèmes actuels de photosynthèse artificielle nécessitent des électrodes solides qui sont très chères. Nos biocarburants d’algues sont beaucoup plus attrayants, car l’ensemble des appareils pour passer du CO2 aux produits chimiques est autonome et il ne nécessite que du soleil. Mais il souligne que le système nécessite encore des ajustements sur les semi-conducteurs et les bactéries. Il suggère également qu’il est possible que les bactéries hybrides qu’il a créées puissent avoir des analogues naturels. Cette recherche suggère qu’on devrait rechercher ce type de bactérie directement dans la nature afin de les utiliser.

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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