Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont développé des organismes nanobio-hybrides capables d'utiliser le dioxyde de carbone et l'azote en suspension dans l'air pour produire une variété de plastiques et de carburants, une première étape prometteuse vers une séquestration du carbone à faible coût et une fabrication respectueuse de l'environnement pour les produits chimiques.

En utilisant des points quantiques activés par la lumière pour déclencher des enzymes particulières dans les cellules microbiennes, les chercheurs ont pu créer des "usines vivantes" qui mangent du CO2 nocif et le convertissent en produits utiles tels que le plastique biodégradable, de l'essence, ammoniac et biodiesel.

« L'innovation témoigne de la puissance des processus biochimiques, " dit Prashant Nagpal, auteur principal de la recherche et professeur adjoint au département de génie chimique et biologique de CU Boulder. "Nous examinons une technique qui pourrait améliorer la capture du CO2 pour lutter contre le changement climatique et même potentiellement remplacer un jour la fabrication à forte intensité de carbone pour les plastiques et les carburants."

Le projet a débuté en 2013, lorsque Nagpal et ses collègues ont commencé à explorer le vaste potentiel des points quantiques nanoscopiques, qui sont de minuscules semi-conducteurs similaires à ceux utilisés dans les téléviseurs. Les points quantiques peuvent être injectés passivement dans les cellules et sont conçus pour se fixer et s'auto-assembler aux enzymes souhaitées, puis activer ces enzymes sur commande en utilisant des longueurs d'onde de lumière spécifiques.

Nagpal voulait voir si les points quantiques pouvaient agir comme une bougie d'allumage pour déclencher des enzymes particulières dans les cellules microbiennes qui ont les moyens de convertir le CO2 et l'azote en suspension dans l'air, mais ne le faites pas naturellement en raison d'un manque de photosynthèse.

En diffusant les points spécialement adaptés dans les cellules d'espèces microbiennes courantes trouvées dans le sol, Nagpal et ses collègues ont comblé l'écart. Maintenant, l'exposition à même de petites quantités de lumière indirecte du soleil activerait l'appétit de CO2 des microbes, sans avoir besoin d'aucune source d'énergie ou de nourriture pour effectuer les conversions biochimiques énergivores.

"Chaque cellule fabrique des millions de ces produits chimiques et nous avons montré qu'ils pouvaient dépasser leur rendement naturel de près de 200 %, " a déclaré Nagpal.

Les microbes, qui dorment dans l'eau, libérer leur produit résultant à la surface, où il peut être écrémé et récolté pour la fabrication. Différentes combinaisons de points et de lumière produisent différents produits :les longueurs d'onde vertes amènent les bactéries à consommer de l'azote et à produire de l'ammoniac, tandis que les longueurs d'onde plus rouges font que les microbes se régalent de CO2 pour produire du plastique à la place.

Le processus montre également des signes prometteurs de capacité à fonctionner à grande échelle. L'étude a révélé que même lorsque les usines microbiennes étaient activées de manière constante pendant des heures, ils montraient peu de signes d'épuisement ou d'épuisement, indiquant que les cellules peuvent se régénérer et ainsi limiter le besoin de rotation.

"Nous avons été très surpris que cela fonctionne aussi élégamment qu'il l'a fait, " a déclaré Nagpal. "Nous commençons tout juste avec les applications synthétiques."

Le scénario futuriste idéal, Nagpal a dit, serait de faire en sorte que les maisons unifamiliales et les entreprises canalisent leurs émissions de CO2 directement vers un bassin de retenue à proximité, où les microbes les convertiraient en bioplastique. Les propriétaires seraient en mesure de vendre le produit résultant pour un petit profit tout en compensant essentiellement leur propre empreinte carbone.

« Même si les marges sont faibles et qu'il ne peut pas concurrencer la pétrochimie sur une base de coût pur, il y a toujours un avantage sociétal à faire cela, " a déclaré Nagpal. " Si nous pouvions convertir ne serait-ce qu'une petite fraction des étangs de fossé locaux, elle aurait un impact important sur la production de carbone des villes. Cela ne demanderait pas grand-chose aux gens à mettre en œuvre. Beaucoup font déjà de la bière à la maison, par exemple, et ce n'est pas plus compliqué."

L'accent maintenant, il a dit, passera à l'optimisation du processus de conversion et à l'embauche de nouveaux étudiants de premier cycle. Nagpal cherche à convertir le projet en une expérience de laboratoire de premier cycle au semestre d'automne, financé par une subvention du CU Boulder Engineering Excellence Fund. Nagpal attribue à ses étudiants actuels le mérite d'avoir suivi le projet pendant de nombreuses années.

"Ce fut un long voyage et leur travail a été inestimable, " at-il dit. "Je pense que ces résultats montrent que cela en valait la peine."