Une nouvelle recherche de l'Université de Washington à St. Louis explique les processus cellulaires qui permettent à un microbe aimant le soleil de « manger » de l'électricité, en transférant des électrons pour fixer le dioxyde de carbone afin d'alimenter sa croissance.

Dirigé par Arpita Bose, professeur assistant de biologie en Arts &Sciences, et Michael Guzman, un doctorat candidate dans son laboratoire, une équipe de l'Université de Washington a montré comment une souche naturelle de Rhodopseudomonas palustris absorbe les électrons des substances conductrices comme les oxydes métalliques ou la rouille. Le travail est décrit dans un article du 22 mars dans la revue Communication Nature .

L'étude s'appuie sur la découverte précédente de Bose selon laquelle R. palustris TIE-1 peut consommer des électrons des proxys de rouille comme des électrodes en équilibre, un processus appelé absorption extracellulaire d'électrons. R. palustris est phototrophe, ce qui signifie qu'il utilise l'énergie de la lumière pour effectuer certains processus métaboliques. La nouvelle recherche explique les puits cellulaires où ce microbe déverse les électrons qu'il mange de l'électricité.

"Cela montre clairement pour la première fois comment cette activité - la capacité de l'organisme à manger de l'électricité - est liée à la fixation du dioxyde de carbone, " dit Bose, un boursier Packard qui étudie les métabolismes microbiens et leur influence sur le cycle biogéochimique.

Cette connaissance mécaniste peut aider à éclairer les efforts visant à exploiter la capacité naturelle du microbe pour le stockage d'énergie durable ou d'autres applications bioénergétiques, un potentiel qui a attiré l'attention du ministère de l'Énergie et du ministère de la Défense.

" R. palustris les variétés peuvent être trouvées dans des endroits sauvages et exotiques comme un pont rouillé à Woods Hole, Massachusetts où TIE-1 a été isolé, " Bose a dit. " Vraiment, vous pouvez trouver ces organismes partout. Cela suggère que l'absorption extracellulaire d'électrons pourrait être très courante."

Guzman a ajouté:"Le principal défi est que c'est un anaérobie, vous devez donc le cultiver dans un environnement dépourvu d'oxygène pour qu'il capte l'énergie lumineuse. Mais le revers de la médaille est que ces défis sont relevés avec beaucoup de polyvalence dans cet organisme que beaucoup d'autres organismes n'ont pas. »

Dans leur nouveau papier, les chercheurs ont montré que les électrons de l'électricité pénètrent dans les protéines de la membrane qui sont importantes pour la photosynthèse. Étonnamment, quand ils ont supprimé la capacité du microbe à fixer le dioxyde de carbone, ils ont observé une réduction de 90 pour cent de sa capacité à consommer de l'électricité.

"Il veut vraiment fixer le dioxyde de carbone à l'aide de ce système, " Bose a dit. " Si vous l'enlevez - cette capacité innée - il ne veut tout simplement pas du tout prendre d'électrons. "

Elle a dit que la réaction est similaire à certains égards à une batterie rechargeable.

"Le microbe utilise l'électricité pour charger son pool redox, emmagasinant les électrons et le rendant très réduit, " Bose a dit. " Pour le décharger, la cellule réduit le dioxyde de carbone. L'énergie pour tout cela vient de la lumière du soleil. Tout le processus se répète, permettre à la cellule de fabriquer des biomolécules avec rien de plus que de l'électricité, le dioxyde de carbone et la lumière du soleil."

Une équipe de l'Université de Washington a surmonté un certain nombre d'obstacles techniques pour mener à bien cette étude. Mark Meacham de la McKelvey School of Engineering a aidé à concevoir et à fabriquer les dispositifs microfluidiques qui ont permis aux chercheurs de se concentrer sur les activités qui se déroulaient dans les cellules alors que les bactéries se nourrissaient de sources d'électricité. L'équipe s'est également appuyée sur le soutien de collaborateurs dont David Fike du département des sciences de la terre et des planètes, qui a aidé Bose et Guzman à utiliser la spectrométrie de masse à ions secondaires pour déterminer comment le microbe utilise le dioxyde de carbone.

La nouvelle recherche répond à des questions scientifiques fondamentales et offre de nombreuses opportunités pour de futures applications bioénergétiques.

"Pendant longtemps, les gens savent que les microbes peuvent interagir avec des analogues d'électrodes dans l'environnement, c'est-à-dire minéraux qui sont également chargés, " a déclaré Guzman. "Mais personne n'a vraiment apprécié comment ce processus pouvait également être effectué par des photoautotrophes, comme ces types d'organismes qui fixent leur propre carbone et utilisent la lumière pour produire de l'énergie. Cette recherche comble une lacune mal comprise dans le domaine. »

Le laboratoire de Bose travaille sur l'utilisation de ces microbes pour fabriquer des bioplastiques et des biocarburants.

"Nous espérons que cette capacité à combiner électricité et lumière pour réduire le dioxyde de carbone pourra être utilisée pour aider à trouver des solutions durables à la crise énergétique, " a déclaré Bose.