Les systèmes bioélectrochimiques combinent le meilleur des deux mondes – des cellules microbiennes avec des matériaux inorganiques – pour fabriquer des carburants et d'autres produits chimiques riches en énergie avec une efficacité inégalée. Pourtant, les difficultés techniques les ont rendus impraticables ailleurs que dans un laboratoire. Aujourd'hui, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont développé une nouvelle membrane à l'échelle nanométrique qui pourrait résoudre ces problèmes et ouvrir la voie à une mise à l'échelle commerciale.

La membrane nanométrique est incrustée de fils moléculaires qui se séparent simultanément chimiquement, encore coupler électrochimiquement, un catalyseur microbien et un catalyseur inorganique sur l'échelle de longueur la plus courte possible. Cette nouvelle architecture modulaire, décrit dans un article publié récemment dans Communication Nature , ouvre un grand espace de conception pour la construction de systèmes électrochimiques biohybrides évolutifs pour une variété d'applications, y compris la production d'électricité, assainissement des déchets, et la récupération des ressources, en plus de la synthèse chimique.

Les travaux ont été dirigés par Heinz Frei, un scientifique principal de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée (MBIB) du Berkeley Lab, et Caroline Ajo-Franklin, un scientifique du personnel de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui détient un poste secondaire dans MBIB.

"Cette avancée introduit une toute nouvelle architecture pour les systèmes bioélectrochimiques basée sur l'intégration à l'échelle nanométrique et ouvre la voie à la mise à l'échelle de ces systèmes à un niveau commercialement pertinent, " dit Frei. " Qui plus est, il fournit un exemple de la façon dont un principe de conception clé inspiré par la biologie est appliqué pour résoudre une lacune scientifique majeure des systèmes d'ingénierie."

Les systèmes électrochimiques biohybrides utilisent des catalyseurs microbiens et inorganiques séparés dans l'oxydoréduction, ou redox, réactions, capitaliser sur les forces complémentaires de chaque composante. Les microbes peuvent synthétiser des molécules complexes avec une sélectivité élevée, tandis que les catalyseurs inorganiques sont les collecteurs d'énergie les plus efficaces. De tels systèmes biohybrides sont attrayants en tant que technologie durable pour produire des carburants et des produits chimiques de grande valeur à l'aide d'énergies renouvelables.

Mais, un défi fondamental dans la conception de systèmes biohybrides est que les environnements qui soutiennent le fonctionnement optimal des cellules vivantes et des matériaux inorganiques sont chimiquement incompatibles, entraînant une toxicité, corrosion, ou des réactions croisées dégradant l'efficacité. À ce jour, l'approche a consisté à maintenir les composants biologiques et abiotiques physiquement séparés par des distances macroscopiques (millimètre à centimètre). Cependant, cela représente un coût élevé en termes d'efficacité, en raison des pertes de résistance (de l'ordre de 25 pour cent de la tension de la cellule) causées par le transport d'ions entre les composants, rendant impossible la mise à l'échelle à des niveaux commercialement pertinents.

Dans les systèmes électrochimiques, d'une manière générale, une réaction d'oxydation à l'anode et une réaction de réduction à la cathode créent une force motrice pour le passage des électrons, convertissant ainsi l'énergie chimique en énergie électrique ou vice-versa. Comme preuve de concept, les chercheurs ont couplé électrochimiquement Shewanella oneidensis, une bactérie anaérobie, à un catalyseur inorganique, dioxyde d'étain (SnO2). A 2 nanomètres d'épaisseur, la membrane de silice a permis la circulation du courant tout en bloquant le transport de l'oxygène et d'autres petites molécules.

Cette étude s'appuie sur des travaux antérieurs du groupe de Frei dans lesquels ils ont fabriqué un photosystème artificiel de la taille d'un pouce carré, sous la forme d'un réseau de nanotubes noyau-enveloppe inorganique, et par le groupe d'Ajo-Franklin dans lequel un aperçu au niveau moléculaire a révélé comment la protéine de la membrane cellulaire externe interagit avec une surface d'oxyde inorganique.