Tout comme les combinaisons spatiales aident les astronautes à survivre dans des environnements inhospitaliers, Les "combinaisons spatiales" nouvellement développées pour les bactéries leur permettent de survivre dans des environnements qui les tueraient autrement.

Université de Californie, Berkeley, les chimistes ont développé les combinaisons de protection pour prolonger la durée de vie des bactéries dans un système unique qui associe des bactéries vivantes à des semi-conducteurs absorbant la lumière afin de capturer le dioxyde de carbone et de le convertir en produits chimiques pouvant être utilisés par l'industrie ou, un jour, dans les colonies spatiales.

Le système imite la photosynthèse chez les plantes. Mais tandis que les plantes captent le dioxyde de carbone et, avec l'énergie du soleil, le convertir en glucides que nous mangeons souvent, le système hybride capte le CO2 et la lumière pour fabriquer une variété de composés carbonés, selon le type de bactérie.

Les bactéries utilisées dans l'expérience sont anaérobies, ce qui signifie qu'ils sont adaptés pour vivre dans des environnements sans oxygène. Le costume - un patchwork de pièces en forme de maille appelé cadre métal-organique, ou MOF - est imperméable à l'oxygène et aux molécules réactives de l'oxygène, comme le peroxyde, qui raccourcissent leur durée de vie.

Le système hybride pourrait être gagnant-gagnant pour l'industrie et l'environnement :il peut capturer le dioxyde de carbone émis par les centrales électriques et le transformer en produits utiles. Il fournit également un moyen biologique de produire les produits chimiques nécessaires dans des environnements artificiels tels que des vaisseaux spatiaux et des habitats sur d'autres planètes.

"Nous utilisons notre biohybride pour fixer le CO2 pour fabriquer des carburants, pharmaceutiques et chimiques, et aussi la fixation d'azote pour faire de l'engrais, " dit Peidong Yang, la chaire distinguée S. K. et Angela Chan en énergie au département de chimie de l'UC Berkeley. "Si Matt Damon veut faire pousser des pommes de terre sur Mars, il a besoin d'engrais."

Yang, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory et codirecteur du Kavli Energy Nanoscience Institute, faisait référence à l'acteur qui a joué le protagoniste dans le film The Martian. Le personnage de Damon était bloqué sur Mars et a dû utiliser ses propres déchets comme engrais pour faire pousser des pommes de terre pour se nourrir.

La recherche, financé par la NASA via le Centre pour l'utilisation du génie biologique dans l'espace de l'UC Berkeley, sera mis en ligne cette semaine avant la publication dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .

Un hybride de bactéries et de semi-conducteurs

Yang et ses collègues ont développé le système bactérien hybride au cours des cinq dernières années sur la base de leurs travaux sur les semi-conducteurs absorbant la lumière tels que les nanofils :des fils solides de silicium de quelques centaines de nanomètres de diamètre, où un nanomètre est un milliardième de mètre. Des réseaux de nanofils peuvent être utilisés pour capter la lumière et générer de l'électricité, des cellules solaires bon marché prometteuses.

Le système hybride tire parti de la capture efficace de la lumière par les semi-conducteurs pour alimenter en électrons les bactéries anaérobies, qui récupèrent normalement les électrons de leur environnement pour vivre. L'objectif est d'augmenter la capture du carbone par les bactéries pour produire des composés carbonés utiles.

"Nous interfaçons ces bugs avec un semi-conducteur qui les submerge d'électrons, pour qu'ils puissent faire plus de chimie, " a déclaré Yang. "Mais en même temps, ce processus génère également toutes ces espèces réactives de l'oxygène, qui sont préjudiciables aux bugs. Nous mettons ces bactéries dans une coquille afin que si l'une de ces espèces oxydantes entre, cette première défense, La coquille, les décompose."

La combinaison est faite d'un maillage MOF qui s'enroule autour des bactéries, en le recouvrant de patchs. En portant ces combinaisons MOF, les bactéries vivent cinq fois plus longtemps à des concentrations d'oxygène normales - 21 % en volume - que sans les combinaisons, et souvent plus longtemps que dans leur milieu naturel, dit Yang. Leur durée de vie normale varie de quelques semaines à quelques mois, après quoi ils peuvent être rincés du système et remplacés par un nouveau lot.

Dans cette expérience, les chercheurs ont utilisé des bactéries appelées Morella thermoacetica, qui produisent de l'acétate (acide acétique, ou vinaigre), un précurseur courant dans l'industrie chimique. Une autre de leurs bactéries test, Sporomusa ovata, produit également de l'acétate.

« Nous avons choisi ces bactéries anaérobies parce que leur sélectivité envers un produit chimique est toujours de 100 %, " dit-il. " Dans notre cas, nous avons choisi un bug qui nous donne de l'acétate. Mais vous pouvez sélectionner un autre insecte pour vous donner du méthane ou de l'alcool."

En réalité, les bactéries qui fermentent l'alcool dans la bière et le vin et transforment le lait en fromage et en yaourt sont toutes anaérobies.

Alors que les premières expériences de Yang avec le système hybride associaient des bactéries à un poil de nanofils de silicium, en 2016, il a découvert que nourrir les bactéries en cadmium les encourageait à se décorer d'un semi-conducteur naturel, sulfure de cadmium, qui agit comme un absorbeur de lumière efficace alimentant les électrons des bactéries.

Dans l'expérience actuelle, les chercheurs ont pris des bactéries décorées de sulfure de cadmium et les ont enveloppées d'un flexible, couche d'un nanomètre d'épaisseur de MOF. Alors qu'un MOF rigide interférait avec le processus normal de croissance et de division de la bactérie, un patch MOF à base de zirconium s'est avéré suffisamment doux pour permettre aux bactéries de gonfler et de se diviser tout en étant encore revêtues de MOF, après quoi un nouveau MOF dans la solution les a rhabillés.

« Vous pouvez considérer le MOF 2D comme une feuille de graphène :un manteau d'une seule couche d'épaisseur qui recouvre les bactéries, " a déclaré le co-auteur Omar Yaghi, un pionnier des MOF et la chaire James et Neeltje Tretter au département de chimie. "Le MOF 2-D flotte en solution avec les bactéries, et au fur et à mesure que les bactéries se répliquent, elles sont recouvertes davantage de la couche de MOF 2-D, il protège donc les bactéries de l'oxygène."

Yang et ses collègues travaillent également à améliorer l'efficacité du système hybride de capture de la lumière, transfert d'électrons et production de composés spécifiques. Ils envisagent de combiner ces capacités optimisées avec de nouvelles voies métaboliques dans ces bactéries pour produire des molécules toujours plus complexes.

"Une fois que vous avez réparé ou activé le CO2 - et c'est la partie la plus difficile - vous pouvez utiliser de nombreuses approches chimiques et biologiques existantes pour les transformer en carburants, produits pharmaceutiques et produits chimiques de base, " il a dit.