L'électricité, moteur de la vie
Grâce à une voie métabolique, des ressources riches en énergie peuvent être produites par le biais de l'électricité.
Lorsque la nature effectue des réactions chimiques pour créer des composés riches en énergie à partir de molécules simples, elle a besoin d'énergie. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'utiliser l'électricité produite par l'homme pour alimenter ces processus biochimiques. Des chercheurs de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre de Marburg ont toutefois réalisé une percée : ils ont mis au point une voie métabolique artificielle qui utilise l'électricité pour produire de l'ATP, un vecteur d'énergie biochimique qui peut ensuite être utilisé pour former des composés chimiques riches en énergie tels que l'amidon ou les protéines. Cette voie métabolique constitue une approche entièrement nouvelle vers une bioéconomie durable et neutre sur le plan climatique.
Chambre de réaction dans laquelle se déroule la voie métabolique artificielle.
© MPI für terrestrische Mikrobiologie/ Virginia Geisel
L'équipe de Tobias Erb, à l'Institut Max Planck de Marburg, étudie actuellement comment la biologie synthétique peut être utilisée pour construire des ressources complexes à partir de molécules simples. À l'aide d'un processus de photosynthèse artificielle mis au point à l'Institut, ils ont déjà réussi à convertir le dioxyde de carbone en diverses ressources précieuses telles que des antibiotiques ou des biocarburants. Leur solution imite et améliore la manière dont la photosynthèse des plantes convertit le dioxyde de carbone.
Mais tout comme le processus naturel qu'elle tente d'améliorer, la photosynthèse synthétique nécessite de l'énergie. La monnaie d'échange de l'énergie chimique dans la nature est l'adénosine triphosphate (ATP). Son énergie se trouve dans les liaisons chimiques : la rupture de ces liaisons libère de l'énergie qui peut alimenter les processus biochimiques.
L'ATP par le biais du courant électrique
L'énergie solaire ou éolienne constitue une alternative durable aux combustibles fossiles. Mais il n'y a jamais eu de moyen d'alimenter directement les réactions biochimiques avec de l'électricité produite par l'homme. Tobias Erb et son équipe ont mis au point une cascade enzymatique capable de produire de l'ATP par le biais d'un courant électrique. La cascade enzymatique appelée "cycle AAA" se compose de quatre biocatalyseurs. La première et principale enzyme, l'aldéhyde ferredoxine oxydoréductase (AOR), réduit un acide en aldéhyde. "L'énergie électrique est stockée dans la liaison aldéhyde. Les trois autres enzymes sont responsables de la régénération de l'aldéhyde. Ce processus libère de l'énergie qui est utilisée pour générer de l'ATP", explique Shanshan Luo, auteur principal de l'étude. L'ATP issu du cycle AAA peut être utilisé pour alimenter des réactions chimiques, comme la production de glucose-6-phosphate, l'élément constitutif de l'amidon. Il peut également être utilisé pour la synthèse des protéines.
Les chercheurs ont découvert l'AOR dans une bactérie encore mal connue sur le plan scientifique, l'Aromaticum aromatoleum. Les chercheurs du Centre de microbiologie synthétique de l'université de Marburg ont pu cultiver le microbe dans des conditions de laboratoire sans oxygène afin d'étudier sa capacité à dégrader le pétrole dans la nature. Cette découverte fortuite est aujourd'hui au cœur du cycle AAA. "Il n'a jamais été possible d'alimenter les réactions biochimiques dépendant de l'ATP avec de l'électricité. Le cycle AAA est désormais capable de convertir directement l'énergie électrique en énergie biochimique", explique Tobias Erb, directeur de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre. "Cela permettra de synthétiser des ressources précieuses riches en énergie, telles que l'amidon, les biocarburants ou les protéines, à partir de simples éléments cellulaires, et même, à l'avenir, à partir du dioxyde de carbone. Il sera peut-être même possible d'utiliser des molécules biologiques pour stocker de l'énergie électrique.
Interface entre l'électricité et la biologie
Toutefois, des recherches approfondies sont encore nécessaires avant que la nouvelle preuve de concept puisse être utilisée dans des applications pratiques. Les enzymes manquent encore de stabilité et se décomposent lorsqu'elles sont exposées à l'oxygène. Actuellement, seules de petites quantités d'énergie sont converties. Avant que cette innovation puisse être utilisée à l'échelle industrielle, les chercheurs ont donc encore beaucoup de travail à accomplir. "À l'avenir, le cycle AAA pourrait fonctionner à l'interface entre l'électricité d'une part et la biologie d'autre part. Alimenter directement en électricité des réactions chimiques et biochimiques constitue toutefois une véritable percée", explique M. Erb.
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.
Publication originale
Luo, S.; Adam, D.; GIaveri, S.; Barthel, S.; Cestellos-Blanco, S.; Hege, D.; Paczia, N.; Castaneda-Losada, L.; Klose, M.; Arndt, F.; Heider, J.; Erb, T. J.; "ATP production from electricity with a new-to-nature electrobiological module"; Joule 2023.
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