La photosynthèse fournit de l'énergie à la grande majorité de la vie sur Terre. Mais la chlorophylle, le pigment vert que les plantes utilisent pour récolter la lumière du soleil, est relativement inefficace. Pour permettre aux humains de capter plus d'énergie solaire que la photosynthèse naturelle, les scientifiques ont appris aux bactéries à se couvrir de minuscules, panneaux solaires hautement efficaces pour produire des composés utiles.

Les chercheurs présentent leurs travaux aujourd'hui à la 254e réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS).

"Plutôt que de compter sur une chlorophylle inefficace pour récolter la lumière du soleil, J'ai appris à des bactéries comment se développer et recouvrir leur corps de minuscules nanocristaux semi-conducteurs, " dit Kelsey K. Sakimoto, Doctorat., qui a effectué les recherches dans le laboratoire de Peidong Yang, doctorat "Ces nanocristaux sont beaucoup plus efficaces que la chlorophylle et peuvent être cultivés à une fraction du coût des panneaux solaires fabriqués."

Les humains cherchent de plus en plus à trouver des alternatives aux combustibles fossiles comme sources d'énergie et matières premières pour la production chimique. De nombreux scientifiques ont travaillé pour créer des systèmes photosynthétiques artificiels pour générer de l'énergie renouvelable et des produits chimiques organiques simples en utilisant la lumière du soleil. Des progrès ont été accomplis, mais les systèmes ne sont pas assez efficaces pour la production commerciale de carburants et de matières premières.

Recherche dans le laboratoire de Yang à l'Université de Californie, Berkeley, où Sakimoto a obtenu son doctorat, se concentre sur l'exploitation de semi-conducteurs inorganiques capables de capter la lumière du soleil pour des organismes tels que des bactéries qui peuvent ensuite utiliser l'énergie pour produire des produits chimiques utiles à partir de dioxyde de carbone et d'eau. "L'objectif de la recherche dans mon laboratoire est essentiellement de "surcharger" les bactéries non photosynthétiques en leur fournissant de l'énergie sous forme d'électrons à partir de semi-conducteurs inorganiques, comme le sulfure de cadmium, qui sont des absorbeurs de lumière efficaces, ", dit Yang. "Nous recherchons maintenant des absorbeurs de lumière plus bénins que le sulfure de cadmium pour fournir aux bactéries de l'énergie à partir de la lumière."

Sakimoto a travaillé avec un naturel, bactérie non photosynthétique, Moorella thermoacétique , lequel, dans le cadre de sa respiration normale, produit de l'acide acétique à partir du dioxyde de carbone (CO 2 ). L'acide acétique est un produit chimique polyvalent qui peut être facilement transformé en un certain nombre de carburants, polymères, les produits pharmaceutiques et les produits chimiques de base grâce à des compléments, bactéries génétiquement modifiées.

Lorsque Sakimoto a nourri du cadmium et de l'acide aminé cystéine, qui contient un atome de soufre, aux bactéries, ils ont synthétisé des nanoparticules de sulfure de cadmium (CdS), qui fonctionnent comme des panneaux solaires sur leurs surfaces. L'organisme hybride, M. thermoacetica -CdS, produit de l'acide acétique à partir du CO 2 , eau et lumière. "Une fois recouvert de ces minuscules panneaux solaires, les bactéries peuvent synthétiser de la nourriture, carburants et plastiques, le tout utilisant l'énergie solaire, " dit Sakimoto. " Ces bactéries surpassent la photosynthèse naturelle. "

Les bactéries fonctionnent à une efficacité de plus de 80 pour cent, et le processus est auto-répliquant et auto-régénérant, ce qui en fait une technologie zéro déchet. "La biologie synthétique et la capacité d'élargir la gamme de produits du CO 2 la réduction sera cruciale pour préparer cette technologie en remplacement, ou l'un des nombreux remplaçants, pour l'industrie pétrochimique, " dit Sakimoto.

Donc, les hybrides inorganiques-biologiques ont-ils un potentiel commercial ? « Je l'espère bien ! » il dit. « De nombreux systèmes actuels en photosynthèse artificielle nécessitent des électrodes solides, ce qui représente un coût énorme. Nos biocarburants à base d'algues sont beaucoup plus attractifs, comme l'ensemble du CO 2 -à-l'appareil chimique est autonome et ne nécessite qu'une grande cuve au soleil." Mais il souligne que le système nécessite encore quelques ajustements pour régler à la fois le semi-conducteur et les bactéries. Il suggère également qu'il est possible que les bactéries hybrides qu'il a créées peuvent avoir un analogue naturel. "Une direction future, si ce phénomène existe dans la nature, serait de bioprospecter ces organismes et de les exploiter, " il dit.