Imprimante 3D et bactéries : une combinaison surprenante pour purifier l’eau

Des chercheurs ont mis au point un nouveau type de matériau capable d’offrir une solution durable et écologique pour éliminer les polluants de l’eau. Surnommé « matériau vivant par ingénierie », il s’agit d’une structure imprimée en 3D à base d’un polymère d’algues marines combiné à des bactéries génétiquement modifiées pour produire une enzyme qui transforme divers polluants organiques en molécules inoffensives.

Les bactéries ont également été conçues pour s’autodétruire en présence d’une molécule appelée théophylline, souvent présente dans le thé et le chocolat, offrant ainsi un moyen de les éliminer une fois leur travail accompli.

Création du matériau vivant

Pour créer ce matériau vivant, les chercheurs ont utilisé de l’alginate, un polymère naturel dérivé des algues marines, l’ont hydraté pour en faire un gel et l’ont mélangé à un type de bactéries aquatiques photosynthétiques appelées cyanobactéries. Le mélange a ensuite été introduit dans une imprimante 3D.

Après avoir testé différentes géométries imprimées en 3D pour leur matériau, les chercheurs ont découvert qu’une structure en grille était optimale pour maintenir les bactéries en vie.

La forme choisie présente un rapport surface/volume élevé, ce qui permet aux cyanobactéries d’être majoritairement près de la surface du matériau pour accéder aux nutriments, aux gaz et à la lumière.

Une décontamination efficace

En tant que preuve de concept, les chercheurs ont génétiquement modifié les cyanobactéries de leur matériau pour produire en continu une enzyme décontaminant appelée laccase.

Des études ont montré que la laccase peut être utilisée pour neutraliser divers polluants organiques, tels que le bisphénol A (BPA), les antibiotiques, les médicaments pharmaceutiques et les colorants.

Dans cette étude, les chercheurs ont démontré que leur matériau peut être utilisé pour décontaminer le polluant à base de colorant indigo carmin, un colorant bleu largement utilisé dans l’industrie textile pour colorer le denim. Lors des tests, le matériau a décoloré une solution aqueuse contenant le colorant.

Élimination des cyanobactéries

Les chercheurs ont également mis au point un moyen d’éliminer les cyanobactéries une fois les polluants éliminés. Ils ont génétiquement modifié les bactéries pour qu’elles réagissent à une molécule appelée théophylline. La molécule déclenche la production d’une protéine qui détruit les cellules bactériennes.

« Le matériau vivant peut agir sur le polluant d’intérêt, puis une petite molécule peut être ajoutée par la suite pour tuer les bactéries », a déclaré Jon Pokorski, professeur de nano-ingénierie à l’UC San Diego et co-directeur de la recherche.

Recherche et perspectives d’avenir

Une solution préférable, selon les chercheurs, serait que les bactéries se détruisent elles-mêmes sans ajout de produits chimiques. Ce sera l’une des orientations futures de cette recherche.

« Notre objectif est de créer des matériaux qui réagissent aux stimuli déjà présents dans l’environnement », a déclaré le professeur Pokorski.

En synthèse

Cette recherche menée par l’UC à San Diego a permis de développer un matériau vivant par ingénierie capable de décontaminer l’eau de manière écologique et durable. Grâce à une collaboration interdisciplinaire, les chercheurs ont combiné un polymère d’algues marines et des cyanobactéries génétiquement modifiées pour créer une structure imprimée en 3D.

Ce matériau innovant a démontré son efficacité dans la décontamination de polluants organiques, et les chercheurs travaillent sur des améliorations pour éliminer les bactéries sans l’ajout de produits chimiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau vivant par ingénierie ?

Un « matériau vivant fabriqué par ingénierie » est une structure créée en combinant un polymère avec un système biologique, comme des bactéries génétiquement modifiées, pour lui conférer des propriétés et des fonctions spécifiques.

Comment ce matériau vivant décontamine-t-il l’eau ?

Le matériau vivant décontamine l’eau grâce aux cyanobactéries génétiquement modifiées qu’il contient, qui produisent en continu une enzyme décontaminant appelée laccase. Cette enzyme neutralise divers polluants organiques présents dans l’eau.

Quels types de polluants ce matériau peut-il éliminer ?

Ce matériau peut éliminer divers polluants organiques, tels que le bisphénol A (BPA), les antibiotiques, les médicaments pharmaceutiques et les colorants, comme l’indigo carmin utilisé dans l’industrie textile.

Comment les cyanobactéries sont-elles éliminées après la décontamination ?

Les cyanobactéries ont été génétiquement modifiées pour s’autodétruire en présence d’une molécule appelée théophylline. Les chercheurs travaillent également sur des solutions pour que les bactéries se détruisent elles-mêmes sans ajout de produits chimiques.

Quelles sont les perspectives d’avenir pour ce matériau vivant ?

Les chercheurs souhaitent améliorer ce matériau vivant pour qu’il réagisse aux stimuli déjà présents dans l’environnement et pour éliminer les bactéries sans ajout de produits chimiques. Ils sont enthousiastes quant aux possibilités offertes par ce travail et aux nouveaux matériaux qu’ils pourront créer.

Légende illustration principale : – Des chercheurs de l’université de San Diego ont mis au point un « matériau vivant », composé d’un polymère naturel associé à des bactéries génétiquement modifiées, qui pourrait constituer une solution durable et écologique pour éliminer les polluants de l’eau. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

Article : « Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria » – DOI: 10.1038/s41467-023-40265-2