Comment des microbes alimentés par l’énergie solaire transforment le CO2 en bioplastique ?

Envisager de créer des produits respectueux de l’environnement en utilisant des bactéries peut sembler inattendu. Pourtant, ce concept a motivé des chercheurs à créer des biohybrides microbe-semiconducteur. Cette fusion entre la puissance biosynthétique des systèmes vivants et la capacité des semi-conducteurs à récolter la lumière, ouvre la voie à une nouvelle forme de production chimique. Une étude récente de l’Université de Cornell nous en dit plus.

Les biohybrides permettent aux microorganismes d’utiliser l’énergie solaire pour transformer le dioxyde de carbone en produits chimiques à valeur ajoutée, tels que les bioplastiques et les biocarburants. Pourtant, la façon dont l’énergie est transportée dans ces systèmes minuscules et complexes, et si ce processus peut être amélioré, reste obscure.

L’équipe de recherche de Cornell a développé une plateforme multimodale pour imager ces biohybrides à une résolution d’une cellule unique. Cela a pour but de mieux comprendre leur fonctionnement et de voir comment ils peuvent être optimisés pour une conversion d’énergie plus efficace.

Les protagonistes de l’étude

Le projet a été dirigé par Peng Chen, professeur de chimie au College of Arts and Sciences de l’Université de Cornell. Il fait partie d’une collaboration plus large, financée par le Département américain de l’Energie, pour explorer l’imagerie microscopique des microbes afin de faire avancer la recherche en bioénergie.

L’article, intitulé « Single-Cell Multimodal Imaging Uncovers Energy Conversion Pathways in Biohybrids« , a été publié dans la revue Nature Chemistry. Les co-auteurs principaux sont le chercheur postdoctoral Bing Fu et l’ancien chercheur postdoctoral Xianwen Mao.

La recherche sur les biohybrides a généralement été menée avec des bactéries en vrac, c’est-à-dire une grande quantité de cellules. Cependant, cette approche ne permet pas de comprendre le mécanisme sous-jacent qui permet la transformation chimique complexe. En revanche, la plateforme de l’équipe de Cornell, qui combine l’imagerie à fluorescence multi-canaux avec la cartographie du courant photo-électrochimique, permet de sonder la bactérie Ralstonia eutropha de manière plus précise.

Des découvertes surprenantes

Grâce à cette plateforme, les chercheurs ont pu identifier le rôle fonctionnel de deux types d’hydrogénases dans le métabolisme de l’hydrogène et la fixation du CO2. Ils ont également découvert que les bactéries peuvent capter une grande quantité d’électrons des photo-catalyseurs semi-conducteurs, suggérant que de futures souches de bactéries pourraient être conçues pour améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie.

Des implications importantes pour l’avenir

Bien que puissante, la plateforme d’imagerie multimodale a ses limites, comme l’indique Peng Chen. Elle ne permet pas d’analyser les compositions de petites molécules. Cependant, en intégrant d’autres techniques, telles que la spectrométrie de masse à l’échelle nanométrique, elle pourrait devenir un outil encore plus puissant pour l’étude des systèmes biologiques-inorganiques.

En synthèse

La création de biohybrides microbe-semiconducteur pourrait constituer une nouvelle voie pour la production chimique respectueuse de l’environnement. Les recherches de l’Université de Cornell ont permis d’obtenir un aperçu précieux de leur fonctionnement à l’échelle cellulaire et des possibilités d’amélioration de l’efficacité de la conversion d’énergie. Cette avancée pourrait avoir des implications majeures pour le développement de produits chimiques à valeur ajoutée plus durables, comme les bioplastiques et les biocarburants.

Les coauteurs sont Hanrath et Barstow, le chercheur postdoctoral Youngchan Park, les doctorants Zhiheng Zhao, Tianlei Yan, Farshid Salimijazi et Mokshin Suri, Danielle H. Francis, M.S. ’17, Won Jung, Ph.D. ’18, l’ancien chercheur postdoctoral Wenjie Li et la technicienne de laboratoire Brooke Pian ’13. DOI : 10.1038/s41557-023-01285-z