Batteries biologiques

Certaines bactéries du sol transmettent de l'électricité à leur environnement. Optimiser ce processus est l'objectif de Smart B.O.B. (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Du point de vue évolutif biologique, elles sont très anciennes, mais leur potentiel n'est découvert que progressivement : les soi-disant électromicrobes sont actuellement sous une observation particulière de la part de nombreux scientifiques dans le monde entier dans le cadre du débat actuel sur la durabilité. Ils peuvent produire et transmettre des électrons – c’est-à-dire en fin de compte de l’électricité – et ce, en grande partie sans pertes d’énergie. Lorsqu’on considère le courant à l’échelle moléculaire, il ne s’agit en réalité que d’un flux dirigé d’électrons, que tous les organismes vivants utilisent à l’intérieur de leurs cellules.  Dans le cadre du concours BIOMOD de cette année (Design biomoléculaire) pour des étudiants du monde entier à San Francisco, une équipe interdisciplinaire de la TU Berlin travaille précisément sur ce sujet. »Notre objectif est une batterie biologique», explique Franziska Graeger, étudiante en master de chimie biologique à la TU Berlin et membre de l’équipe Smart B.O.B. (Smart Biologically Optimized Battery).

Au sein d’une cellule, lors de certains sauts d’électrons d’une molécule à une autre, de l’énergie est libérée. Depuis quelques années, les scientifiques connaissent des bactéries capables de libérer des électrons dans leur environnement de cette manière. À travers certaines membranes, certaines de ces bactéries transfèrent par exemple les électrons à des ions métalliques positifs dans leur environnement.

Les scientifiques de Smart B.O.B. utilisent différentes espèces de bactéries et combinent leurs capacités. « La bactérie Shewanella possède une structure protéique spécifique dans sa membrane, permettant de transférer les électrons de manière ciblée vers le fer ou le manganèse dans l’environnement. Notre première étape est d’introduire génétiquement cette protéine dans des cyanobactéries. » Les cyanobactéries sont une sorte d’interface entre les plantes et les bactéries. Elles sont autotrophes, c’est-à-dire qu’elles peuvent produire à partir du dioxyde de carbone de l’atmosphère, à l’aide de la lumière du soleil, le vecteur d’énergie glucose et de l’oxygène. « Si nous parvenons à introduire le complexe protéique de Shewanella dans les cyanobactéries, celles-ci pourraient cibler spécifiquement la prise en charge des électrons issus de la photosynthèse et les transférer à une électrode extérieure. Ainsi, un flux électrique pourrait être généré », explique la biochimiste en détaillant les plans du groupe.  

Il est déjà possible de capter dans une faible mesure des électrons libres provenant de différentes bactéries du sol. Les scientifiques le démontrent de manière impressionnante avec une petite lampe sur un bocal en verre contenant de la terre. Deux électrodes spéciales récupèrent les électrons des bactéries du sol dans la terre et les transfèrent à la lampe. « Bien sûr, seule une faible quantité de courant est récupérée », explique Franziska Graeger. « Nous ne pouvons faire fonctionner qu’une petite lampe avec cela. Notre objectif est de cloner autant que possible de complexes protéiques de Shewanella dans les cyanobactéries, afin que beaucoup plus de courant circule. Ces bactéries spéciales pourraient ensuite être directement appliquées sur les électrodes à l’aide d’une imprimante conventionnelle, ce qui permettrait un échange immédiat des électrons et optimiserait la récolte. »

Depuis 2015, une équipe interdisciplinaire de différentes universités berlinoises participe au concours international BIOMOD. Le projet est hébergé par le département de biocatalyse du Prof. Nediljko Budisa et par le cluster d’excellence UniSysCat à la TU Berlin, soutenu par le prix pour l’enseignement exemplaire de la Société des Amis de la TU Berlin. « L’interdisciplinarité est extrêmement importante pour le projet », explique Franziska Graeger. « Car nous ne devons pas seulement travailler avec succès en laboratoire en biochimie, mais tout organiser nous-mêmes : un laboratoire fonctionnel, un bon site web, une performance attrayante lors du Jamboree en octobre à San Francisco, et surtout, le financement complet du projet et notre voyage au concours. C’est pourquoi nous sommes toujours à la recherche de nouveaux soutiens. »