Si les humains espèrent coloniser Mars, les colons devront fabriquer sur la planète une vaste gamme de composés organiques, des carburants aux médicaments, qui sont trop chers à expédier depuis la Terre.

Université de Californie, Berkeley, et les chimistes du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont un plan pour cela.

Depuis huit ans, les chercheurs ont travaillé sur un système hybride combinant des bactéries et des nanofils capables de capturer l'énergie de la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en éléments constitutifs pour les molécules organiques. Les nanofils sont des fils de silicium minces d'environ un centième de la largeur d'un cheveu humain, utilisés comme composants électroniques, et aussi comme capteurs et cellules solaires.

"Sur Mars, environ 96% de l'atmosphère est du CO2. Essentiellement, tout ce dont vous avez besoin, c'est de ces nanofils semi-conducteurs en silicium pour absorber l'énergie solaire et la transmettre à ces insectes pour faire la chimie pour vous, " a déclaré le chef de projet Peidong Yang, professeur de chimie et titulaire de la chaire S. K. et Angela Chan Distinguished Chair in Energy à l'UC Berkeley. "Pour une mission dans l'espace lointain, vous vous souciez du poids de la charge utile, et les systèmes biologiques ont l'avantage de s'auto-reproduire :vous n'avez pas besoin d'en envoyer beaucoup. C'est pourquoi notre version biohybride est très attrayante."

La seule autre exigence, en plus du soleil, est l'eau, qui sur Mars est relativement abondant dans les calottes glaciaires polaires et se trouve probablement gelé sous terre sur la majeure partie de la planète, dit Yang, qui est chercheur principal au Berkeley Lab et directeur du Kavli Energy Nanoscience Institute.

Le biohybride peut également extraire le dioxyde de carbone de l'air sur Terre pour fabriquer des composés organiques et lutter simultanément contre le changement climatique, qui est causée par un excès de CO2 produit par l'homme dans l'atmosphère.

Dans un nouvel article à paraître le 31 mars dans la revue Joule , les chercheurs rapportent une étape importante dans l'emballage de ces bactéries (Sporomusa ovata) dans une "forêt de nanofils" pour atteindre une efficacité record :3,6% de l'énergie solaire entrante est convertie et stockée dans des liaisons carbone, sous la forme d'une molécule bicarbonée appelée acétate :essentiellement acide acétique, ou du vinaigre.

Les molécules d'acétate peuvent servir de blocs de construction pour une gamme de molécules organiques, des carburants et des plastiques aux médicaments. De nombreux autres produits biologiques pourraient être fabriqués à partir d'acétate à l'intérieur d'organismes génétiquement modifiés, comme des bactéries ou des levures.

Le système fonctionne comme la photosynthèse, que les plantes utilisent naturellement pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en composés carbonés, principalement du sucre et des glucides. Les plantes, cependant, ont une efficacité assez faible, convertissant généralement moins d'un demi pour cent de l'énergie solaire en composés de carbone. Le système de Yang est comparable à la plante qui convertit le mieux le CO2 en sucre :la canne à sucre, qui est 4-5% efficace.

Yang travaille également sur des systèmes pour produire efficacement des sucres et des glucides à partir de la lumière du soleil et du CO2, potentiellement fournir de la nourriture aux colons de Mars.

Regardez le pH

Lorsque Yang et ses collègues ont fait la première démonstration de leur réacteur hybride nanofils-bactéries il y a cinq ans, l'efficacité de la conversion solaire n'était que d'environ 0,4 %, comparable aux plantes, mais toujours faible par rapport aux rendements typiques de 20 % ou plus pour les panneaux solaires en silicium qui convertissent la lumière en électricité. Yang a été l'un des premiers à transformer des nanofils en panneaux solaires, il y a une quinzaine d'années.

Les chercheurs ont d'abord essayé d'augmenter l'efficacité en emballant plus de bactéries sur les nanofils, qui transfèrent des électrons directement aux bactéries pour la réaction chimique. Mais les bactéries se sont séparées des nanofils, couper le circuit.

Les chercheurs ont finalement découvert que les insectes, comme ils produisaient de l'acétate, diminué l'acidité de l'eau environnante, c'est-à-dire augmenté une mesure appelée pH et les a fait se détacher des nanofils. Lui et ses étudiants ont finalement trouvé un moyen de garder l'eau légèrement plus acide pour contrer l'effet de l'augmentation du pH en raison de la production continue d'acétate. Cela leur a permis d'emballer beaucoup plus de bactéries dans la forêt de nanofils, en multipliant le rendement de près d'un facteur 10. Ils ont pu faire fonctionner le réacteur, une forêt de nanofils parallèles, pendant une semaine sans que les bactéries se décollent.

Dans cette expérience particulière, les nanofils ont été utilisés uniquement comme fils conducteurs, pas comme absorbeurs solaires. Un panneau solaire externe fournissait l'énergie.

Dans un système réel, cependant, les nanofils absorberaient la lumière, générer des électrons et les transporter vers les bactéries glommées sur les nanofils. Les bactéries absorbent les électrons et, semblable à la façon dont les plantes fabriquent des sucres, convertir deux molécules de dioxyde de carbone et de l'eau en acétate et en oxygène.

"Ces nanofils de silicium sont essentiellement comme une antenne :ils capturent le photon solaire comme un panneau solaire, " a déclaré Yang. " Dans ces nanofils de silicium, ils vont générer des électrons et les alimenter à ces bactéries. Ensuite, les bactéries absorbent le CO2, faire la chimie et cracher de l'acétate."

L'oxygène est un avantage secondaire et, sur Mars, pourrait reconstituer l'atmosphère artificielle des colons, qui imiterait l'environnement d'oxygène de 21% de la Terre.

Yang a peaufiné le système d'autres manières, par exemple, pour intégrer des points quantiques dans la propre membrane de la bactérie qui agissent comme des panneaux solaires, absorbant la lumière du soleil et évitant le besoin de nanofils de silicium. Ces bactéries cyborg produisent également de l'acide acétique.

Son laboratoire continue de chercher des moyens d'augmenter l'efficacité du biohybride, et explore également des techniques pour modifier génétiquement les bactéries afin de les rendre plus polyvalentes et capables de produire une variété de composés organiques.