Les nanoclusters absorbant la lumière composés de 22 atomes d'or (Au22) sont suffisamment petits pour glisser à travers la paroi de la membrane bactérienne. Source de l'image: Berkeley College of Chemistry

Les bactéries cyborg obtiennent une amélioration en or

Des scientifiques utilisent des nanoparticules d'or dans la photosynthèse bactérienne synthétique à la recherche d'une énergie alternative

UNIVERSITY OF CALIFORNIA -BERKELY - Une innovation récente dans la recherche de sources d'énergie alternatives a transformé les bactéries naturelles en récepteurs solaires capables de convertir le dioxyde de carbone, l'eau et la lumière solaire en combustibles solaires.

Cette recherche novatrice consiste à mettre au point une méthode synthétique de photosynthèse. Dans la nature, la photosynthèse est le mécanisme par lequel les plantes utilisent la chlorophylle pour capturer la lumière du soleil et la transformer en énergie.

Source de l'image: Wageningin University & Research

Les scientifiques ont pu imiter la photosynthèse naturelle en fixant des nanocristaux de sulfure de cadmium (CdS) absorbant la lumière sur la membrane extérieure de Moorella thermoacetica, une bactérie non photosynthétique à l'état naturel. Grâce à ce processus, ils l'ont convertie en une machine de photosynthèse bactérienne hybride qui surpasse la photosynthèse naturelle.

«Plutôt que de dépendre de la chlorophylle inefficace pour récolter la lumière du soleil, j'ai appris aux bactéries à se développer et à recouvrir leur corps de minuscules nanocristaux de semi-conducteurs», déclare Kelsey K. Sakimoto, Ph.D., qui a mené la recherche dans le laboratoire de Peidong. Yang, professeur de chimie à l'UC Berkeley. "Ces nanocristaux sont beaucoup plus efficaces que la chlorophylle et peuvent être cultivés à une fraction du prix de revient des panneaux solaires fabriqués."

Lorsque la lumière du soleil frappe les nanoparticules de CdS, un électron chargé est généré, qui se déplace à l'intérieur de la bactérie. L'électron interagit avec les enzymes, entraînant une réduction du dioxyde de carbone, qui produit finalement de l'acétate, un produit chimique important dans la fabrication des combustibles solaires.

Grâce à ce processus, ils ont converti Moorella thermoacetica en un photosynthétiseur bactérien hybride, M. thermoacetica-CdS, qui surpasse la photosynthèse naturelle dans la vie végétale. L'hybride est une technologie zéro déchet, car elle se régénère et se réplique elle-même, avec un taux d'efficacité supérieur à 80%.

Bien que ce modèle ait semblé exceptionnellement prometteur, les scientifiques ont noté que certains des électrons avaient été perdus par interaction avec d'autres produits chimiques dans la cellule bactérienne. Pour résoudre le problème des électrons perdus, ils ont introduit un autre semi-conducteur dans la cellule: des nanoclusters absorbant la lumière composés de 22 atomes d'or (Au22), suffisamment petits pour glisser à travers la paroi de la membrane bactérienne. Le résultat est un système biohybride qui offre des rendements plus élevés que ceux produits avec le modèle CdS extracellulaire.

«Nous avons choisi Au22 parce qu’il est idéal pour absorber la lumière visible et qu’il peut potentiellement conduire le processus de réduction de CO2, mais nous ne savions pas si cela serait compatible avec la bactérie», a déclaré Yang. «Lorsque nous les avons inspectées au microscope, nous avons découvert que les bactéries étaient chargées de ces grappes Au22 et qu’elles étaient toujours heureusement en vie.»

Au22 est assez petit pour glisser à travers la paroi de la membrane bactérienne. Crédit d'image: Peidong Yang, UC Berkeley

Ce développement de la photosynthèse synthétique pourrait offrir des solutions potentielles à la recherche de sources d’énergie alternatives: «La biologie synthétique et la possibilité d’élargir la gamme de produits de réduction du CO2 seront essentielles pour transformer cette technologie en remplacement l’industrie pétrochimique », déclare Sakimoto.

Les scientifiques entendent poursuivre le développement de cette nouvelle technologie. «Nous souhaitons ensuite trouver un moyen de réduire les coûts, d’améliorer la durée de vie de ces systèmes biohybrides et d’améliorer l’efficacité quantique», a déclaré Yang.

Sources:

Les bactéries cyborg surpassent les plantes lorsqu’elles transforment la lumière solaire en composés utiles (vidéo). (22 août 2017). Extrait de https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2017/august/cyborg-bacteria-outper--plants-when-turning-sunlight-into-useful-compounds-video.html.

Sakimoto, K. K., Wong, A. B., et Yang, P. (2016, janvier 01). Auto-photosensibilisation de bactéries non photosynthétiques pour la production solaire-chimique. Extrait de http://science.sciencemag.org/content/351/6268/74

Récolter des combustibles solaires grâce à l’appétit inhabituel d’une bactérie pour l’or. (Dakota du Nord.). Extrait de https://chemistry.berkeley.edu/news/harvesting-solar-fuels-through-bacterium’s-unusual-appetite-gold