Percée dans la fabrication des piles à combustible microbiennes

Les résultats d’une étude publiée dans la revue de l’Académie nationale des sciences (PNAS) révèlent que des protéines situées à la surface de certaines bactéries étaient capables de produire un courant électrique rien qu’en étant au contact d’une surface minérale.

L’étude montre qu’il est possible de relier directement ces bactéries à des surfaces métalliques ou minérales dans le but de transférer une charge électrique à travers leurs membranes cellulaires. Cela signifie tout simplement que les chercheurs ont réalisé un pas supplémentaire vers la création de piles à combustible microbiennes ou «bio-batteries».

L’équipe de scientifiques de l’université d’East Anglia (UEA – Angleterre), a collaboré avec des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory de l’État de Washington aux États-Unis.

Shewanella oneidensis (photo) fait partie d’une famille de bactéries marines. L’équipe a créé une version synthétique de cette bactérie en utilisant seulement des protéines destinées à transporter les électrons de l’intérieur du microbe vers la roche. Les chercheurs ont donc inséré ces protéines dans les couches lipidiques, de petites vésicules de membranes lipidiques comme celles qui composent les membranes bactériennes. Puis ils ont testé le cheminement des électrons entre un donneur (microbe) et un receveur (minéral contenant du fer).

"Nous savions que les bactéries pouvaient transférer de l’électricité dans les métaux et les minéraux, et que cette interaction dépendait de protéines spéciales sur la surface de la bactérie. Mais il n’avait pas été précisé si ces protéines réalisaient ce processus, directement ou indirectement par un médiateur connu ou inconnu" a expliqué le Dr Tom Clarke de l’UEA.

"Notre recherche montre que ces protéines peuvent directement ‘atteindre’ la surface minérale et produire un courant électrique. Cela signifie qu’il est possible pour des bactéries de se poser sur un métal ou un minéral et de conduire l’électricité à travers leurs membranes cellulaires. (…) C’est la première fois que sommes en mesure de voir réellement comment les composants d’une membrane cellulaire interagissent avec des substances différentes, et de comprendre comment les différentes interactions métalliques et minérales peuvent se produire sur la surface d’une cellule."

"Ces bactéries possèdent un grand potentiel à destination des piles à combustible microbiennes, où l’électricité peut être générée à partir de la décomposition de déchets domestiques ou agricoles."

"Une autre possibilité serait d’utiliser ces bactéries comme des usines miniatures sur la surface d’une électrode, où les réactions chimiques se déroulent à l’intérieur de la cellule en utilisant la puissance électrique délivrée par l’électrode à travers ces protéines."

"Nous avons développé un système unique afin d’imiter le transfert d’électrons comme cela ce produit dans les cellules. La mesure du taux de transfert d’électrons était incroyablement rapide – il était assez rapide pour supporter la respiration bactérienne" a commenté le biochimiste, Liang Shi, du Pacific Northwest National Laboratory.

Le constat réalisé semble également important pour comprendre comment le carbone fait son chemin à travers l’atmosphère, la terre et les océans.

"Lorsque la matière organique est impliquée dans la réduction du fer, elle libère du dioxyde de carbone et de l’eau. Et lorsque le fer est utilisé comme source d’énergie, les bactéries incorporent du dioxyde de carbone dans son alimentation. Si nous arrivons à comprendre le processus de transfert d’électrons, nous pourrons apprendre comment les bactéries contrôlent le cycle du carbone", a conclu Liang Shi.

** Le projet est financé par le Conseil de recherche en biotechnologies et sciences biologiques (BBSRC).

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