Une équipe de recherche de la Ruhr-Universität Bochum (RUB), avec des collègues de Lisbonne, a produit une électrode semi-artificielle qui pourrait convertir l’énergie lumineuse en d’autres formes d’énergie dans les cellules biosolaires. La technique est basée sur la protéine de photosynthèse Photosystem I des cyanobactéries.
Le groupe a montré qu’il pouvait coupler son système avec une enzyme qui utilisait l’énergie lumineuse convertie pour produire de l’hydrogène. Les résultats ont été préalablement publiés en ligne en octobre 2020 dans la revue Angewandte Chemie.
Pour ce travail, le groupe RUB, composé de Panpan Wang, Fangyuan Zhao, Julian Szczesny, Adrian Ruff, Felipe Conzuelo et Wolfgang Schuhmann du Centre d’électrochimie, a coopéré avec l’équipe composée d’Anna Frank, Marc Nowaczyk et Matthias Rögner de la Chaire de biochimie des plantes, ainsi qu’avec des collègues de l’Université Nova de Lisbonne.
Danger de court-circuit
Le photosystème I fait partie de la machinerie de photosynthèse des cyanobactéries et des plantes. À l’aide de l’énergie lumineuse, il peut séparer les charges et ainsi générer des électrons de haute énergie qui peuvent être transférés à d’autres molécules, par exemple à des protons pour la production d’hydrogène.
Lors de travaux antérieurs, les scientifiques de Bochum avaient déjà utilisé le photosystème I du complexe protéique collecteur de lumière pour concevoir des électrodes pour les cellules biosolaires. À cette fin, ils ont recouvert une électrode d’une monocouche de photosystème I. Dans de telles monocouches, les photosystèmes ne sont pas empilés les uns sur les autres, mais se trouvent côte à côte dans le même plan.
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Le photosystème I, cependant, se présente généralement comme un trimère, c’est-à-dire que trois photosystèmes sont toujours reliés entre eux. Comme les trimestres ne peuvent pas être empilés les uns sur les autres, des trous apparaissent dans la monocouche, ce qui peut entraîner des courts-circuits. Cela nuit aux performances du système. C’est précisément ce problème que les scientifiques ont résolu dans le présent travail.
Trous bouchés dans la couche du photosystème
Dans la cyanobactérie Thermosynechococcus elongatus, le photosystème I existe principalement comme trimère. Grâce à une nouvelle technique d’extraction, les chercheurs ont pu isoler d’autres monomères de l’organisme, créant ainsi une monocouche de photosystème I sur l’électrode dans laquelle les monomères remplissent les trous entre les trimèdres. Ils ont ainsi pu réduire les effets de court-circuit. Le système a atteint des densités de courant deux fois plus élevées qu’un système composé uniquement de trimères.
Pour montrer à quoi cette technique pouvait en principe servir, les scientifiques l’ont couplée à une enzyme hydrogénase qui produit de l’hydrogène à partir des électrons fournis par le photosystème. « Les travaux futurs seront orientés vers un couplage encore plus efficace entre la monocouche du photosystème et les biocatalyseurs intégrés afin de réaliser des biosystèmes pratiques pour la conversion de l’énergie solaire« , annoncent les auteurs dans leur publication.
