Une innovation ouvre la voie à la fabrication de produits chimiques, plastiques et alimentaires "propres" à partir de l'énergie solaire
Un réacteur solaire intégré utilise la lumière du soleil, de l'eau, du CO2 et des bactéries modifiées pour cultiver de la biomasse dans un seul bécher
Une nouvelle étude dirigée par le Dr Lin Su de la Queen Mary University of London, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, décrit un nouveau réacteur solaire intégré dans lequel des Escherichia coli (E. coli) modifiés sont cultivés directement dans le même liquide qui convertit le CO₂ en une source d'énergie utilisable à l'aide de la lumière du soleil.
À l'avenir, cette technologie pourrait être utilisée pour fabriquer des produits chimiques, des plastiques ou même des protéines microbiennes sans danger pour l'environnement.
Le dispositif combine une cellule solaire organique, une électrode semi-conductrice, deux enzymes et une bactérie artificielle, et convertit le CO₂ et l'eau en biomasse vivante, reproduisant les étapes de la photosynthèse naturelle sans aucune plante, algue ou microbe photosynthétique.
Chimie solaire et bactéries artificielles
L'industrie chimique actuelle fonctionne avec des combustibles fossiles. Deux alternatives propres se développent en parallèle : la chimie solaire, où la lumière du soleil transforme le CO₂ en petites molécules utiles, et les bactéries modifiées, qui peuvent être programmées pour fabriquer une large gamme de produits chimiques. Plusieurs dispositifs biohybrides antérieurs ont déjà placé un absorbeur de lumière abiotique et un microbe dans le même réacteur, en utilisant différentes combinaisons de catalyseurs, d'intermédiaires et d'organismes hôtes.
Cet article pose la question suivante : peut-on réaliser la même intégration en une seule étape en utilisant un ensemble de composants qui se prêtent à l'ingénierie des deux côtés, à savoir un absorbeur de lumière organique, une enzyme purifiée comme catalyseur de réduction du CO₂, le formate soluble, vecteur d'énergie à un seul carbone, et un châssis E. coli modifié ? Cette combinaison est importante car chacun de ces composants peut être réglé ou échangé de manière indépendante (la cellule solaire est redessinée, l'enzyme est modifiée, la souche est recâblée pour un produit cible), ce qui donne une plateforme conçue pour être modifiée plutôt que fixée à une seule chimie.
Pour qu'une industrie chimique propre remplace celle des combustibles fossiles, la chimie qui capture le CO₂ et la biologie qui le transforme en produits utiles devront finalement partager le même dispositif. Les procédés en deux étapes avec transfert manuel entre les réacteurs sont trop coûteux et inefficaces pour être mis à l'échelle. Ce travail est une première démonstration que la chimie et la biologie peuvent être rendues compatibles à l'intérieur d'un même bécher, ce qui constitue la base de toute future raffinerie solaire intégrée pour les produits chimiques, les matériaux et les protéines microbiennes.
À l'intérieur du réacteur, la lumière du soleil alimente deux réactions et une troisième réaction suit dans le même liquide. La lumière du soleil divise l'eau sur une électrode, libérant de l'oxygène pour que les bactéries puissent respirer. Elle alimente une enzyme sur une deuxième électrode qui capture le CO₂ du liquide et le transforme en formiate, une petite molécule qui transporte l'énergie solaire capturée sous une forme que les bactéries peuvent utiliser comme carburant. Les bactéries absorbent alors le formiate, le brûlent pour produire de l'énergie en utilisant l'oxygène que le dispositif vient de produire, et utilisent cette énergie pour se construire à partir de CO₂ dissous dans le même liquide. La lumière du soleil entre. Des bactéries vivantes en sortent.
L'intérêt de ces travaux est de montrer que la chaîne complète, des photons à la biomasse d'E. coli dans un seul liquide, est tout à fait possible. Cela ouvre la voie à l'échange de souches modifiées qui produisent des produits chimiques cibles au-delà de la biomasse.
Le Dr Lin Su, maître de conférences à l'université Queen Mary de Londres, a déclaré : "Auparavant, le problème de la production de biomasse vivante, comme les bactéries, dans un réacteur chimique alimenté par l'énergie solaire, est que la chimie libère généralement des ions métalliques toxiques qui empoisonnent les bactéries. Nous avons montré qu'un réacteur chimique alimenté par l'énergie solaire et des bactéries modifiées peuvent partager un seul bécher, en utilisant la lumière du soleil, l'eau et le CO₂ pour cultiver de la biomasse vivante en toute sécurité.
"Une fois que cette intégration fonctionne, un biologiste de synthèse peut brancher une autre souche d'E. coli sur le même matériel pour produire une autre molécule.
"Bien qu'il s'agisse d'un stade précoce, les rendements étant encore faibles et le réacteur fonctionnant pendant des heures plutôt que des semaines, cette technologie est très prometteuse".
Le Dr Celine Wing See Yeung, de l'université de Cambridge, a déclaré : "Le projet s'est assemblé comme un puzzle façonné par des années de recherche - de l'activation des photovoltaïques organiques à des températures élevées aux progrès de la purification des enzymes et à leur intégration à la biologie synthétique. Ensemble, nous montrons comment la chimie des matériaux et la biologie synthétique peuvent unir leurs forces pour développer les raffineries chimiques solaires du futur".
Le professeur Ron Milo, de l'Institut Weizmann des sciences, a déclaré : "L'intégration réussie de ces deux systèmes sera la clé des technologies de production durable. Les progrès réalisés dans la culture de bactéries à l'aide de CO2 ouvrent la voie à un approvisionnement en nourriture qui utilise beaucoup moins de terres et d'eau et qui peut s'étendre pour atténuer de manière significative les défis climatiques et écologiques auxquels l'humanité est confrontée." Le professeur Erwin Reisner, de l'université de Cambridge, a déclaré : "Notre étude démontre que des absorbeurs de lumière synthétiques peuvent être intégrés à des microbes non photosynthétiques pour alimenter la réaction centrale de la photosynthèse naturelle. Cette réalisation a été rendue possible grâce à une approche interdisciplinaire par une sélection et une combinaison minutieuses de semi-conducteurs avec des enzymes isolées et des microbes modifiés dans un dispositif alimenté par l'énergie solaire. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives passionnantes pour la production de produits chimiques de grande valeur par le biais de systèmes semi-biologiques pour une fabrication durable en tirant parti des frontières de la biologie synthétique".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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