De nombreux articles courants que nous utilisons dans notre vie quotidienne, des matériaux de construction aux plastiques en passant par les produits pharmaceutiques, sont fabriqués à partir de combustibles fossiles. Pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et réduire les émissions de gaz à effet de serre, la société a de plus en plus essayé de se tourner vers les plantes pour fabriquer les produits de tous les jours dont nous avons besoin. Par exemple, le maïs peut être transformé en éthanol de maïs et en plastique, les sucres lignocellulosiques peuvent être transformés en carburants d'aviation durables, et les peintures peuvent être fabriquées à partir d'huile de soja.

Mais que se passerait-il si les plantes pouvaient être supprimées de l'image, éliminant le besoin d'eau, engrais, et la terre ? Et si les microbes pouvaient à la place être exploités pour fabriquer des carburants et d'autres produits ? Et si ces microbes pouvaient se développer sur le dioxyde de carbone, produisant ainsi simultanément des biens de valeur tout en éliminant un gaz à effet de serre de l'atmosphère, tout dans un seul réacteur ? Trop beau pour être vrai?

Les scientifiques du laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont fait de bons progrès pour transformer cette technologie en réalité. Dirigé par le scientifique Eric Sundstrom, chercheur à l'Unité de Développement de Procédés Biocarburants et Bioproduits Avancés (ABPDU), et chercheur postdoctoral Changman Kim, le projet combine biologie et électrochimie pour produire des molécules complexes, le tout alimenté par des énergies renouvelables. Avec le dioxyde de carbone comme l'un des intrants, le système a le potentiel d'éliminer les gaz piégeant la chaleur de l'atmosphère, ou en d'autres termes, une technologie à émissions négatives (NET).

La communauté scientifique ainsi que les décideurs politiques parviennent à un consensus sur le fait que les TNE peuvent être un outil important dans la lutte contre le changement climatique en réduisant la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les chercheurs du Berkeley Lab poursuivent une gamme de technologies d'émissions négatives. Le projet de Sundstrom a été lancé il y a deux ans dans le cadre du programme de recherche et développement dirigés par le laboratoire (LDRD) du laboratoire.

Q. Comment ce projet a-t-il commencé ?

A l'ABPDU, nous travaillons sur une gamme de produits. Pratiquement tout ce qui est fabriqué par l'industrie chimique - vous pouvez trouver un moyen d'utiliser des microbes pour fabriquer ces molécules de base, puis remplacer l'équivalent pétrochimique ou même agricole de ce produit. Il y a beaucoup de pouvoir pour faire pratiquement n'importe quoi avec la biologie. C'est juste une question de savoir si c'est économique de le faire.

Un domaine populaire pour nous en ce moment est celui des protéines alimentaires. Par exemple, vous pourriez concevoir une levure pour produire une protéine de lait. Donc, vous pouvez faire du lait chimiquement identique, mais de levure, donc vous avez coupé la vache. Nous aidons les entreprises qui fabriquent toutes sortes de produits, des protéines alimentaires aux biocarburants en passant par les skis biosourcés, tout en utilisant des microbes. Le fil conducteur est que la grande majorité de ces entreprises utilisent du sucre, un matériau relativement coûteux et respectueux de l'environnement, comme matière première principale.

Donc, nous avons eu une idée :peut-on faire ce même genre de bioproduction, mais au lieu d'utiliser une source de carbone d'origine végétale, pouvons-nous supprimer la ferme et utiliser directement le dioxyde de carbone comme source de carbone pour la croissance du microbe ? Et pouvons-nous utiliser les électrons de l'électricité renouvelable pour fournir l'énergie nécessaire pour générer la même suite de produits ?

Q. Cela semble excitant mais compliqué. Comment cela fonctionnerait-il exactement ? Et comment s'appelle cette technologie ?

Les gens appellent ça des choses différentes. Des électrons aux produits. Ou les électrons aux molécules sont populaires. Ou les électrocarburants.

Nous combinons deux étapes pour convertir le CO 2 et de l'électricité en bioproduits dans un seul réacteur. Cela comprend une étape électrochimique - la division de l'eau pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène - et une étape biochimique, qui est la conversion microbienne de l'hydrogène, oxygène, et Cie 2 à la biomasse et finalement aux produits.

La partie délicate, ce sont les microbes. Chaque microbe mange quelque chose pour vivre, mais très peu de microbes mangent des électrons. Donc, pouvons-nous convertir l'électricité en quelque chose que les microbes mangeront facilement ? Et donc ce que nous examinons est en fait un moyen très simple de le faire :lorsque vous appliquez un courant électrique à travers l'eau à une certaine tension, le H2O se sépare en hydrogène et oxygène, puis les gaz jaillissent. Et il y a des groupes de bactéries qui vont consommer de l'hydrogène comme source d'énergie, puis ils utiliseront le dioxyde de carbone comme source de carbone pour se développer. Cette partie est relativement bien connue.

Ce que nous essayons de faire, c'est de combiner ces deux processus. Vous avez les électrodes dans l'eau, faire jaillir du gaz. Et puis nous pouvons ajouter du CO 2 . Maintenant, nous avons les trois ingrédients dont nous avons besoin, hydrogène, oxygène, et Cie 2 , tous dans l'eau, et puis nous pouvons ajouter des microbes, le tout dans un seul réservoir. En combinant le processus électrochimique avec le processus microbien, nous pouvons utiliser les électrodes elles-mêmes pour dissoudre les gaz dans le bioréacteur, simplifier la conception du réacteur et économiser beaucoup d'énergie. C'est la partie excitante.

Dans le cadre du projet LDRD, nous avons optimisé les conditions d'électrolyse et la souche microbienne pour une compatibilité mutuelle, et nous avons configuré le système pour qu'il fonctionne sur un panneau solaire. We also demonstrated that the microbes can be genetically engineered, so we can now produce complex molecules in a single tank, directly from photons and CO 2 .

Q. What kind of microorganisms do you use, and what were the challenges in getting this system to work?

The electrolysis creates a lot of unwanted stuff. It's never 100% clean and efficient. You get things like hydrogen peroxide, or the electrodes themselves have metals in them that can come off and poison the biology. And so there are a lot of toxicity challenges that you have to overcome to make everything work together in one vessel.

The compatibility between the electrochemistry and the organism is important. The electrochemistry likes to be run at a really high or low pH and high temperature to get efficient hydrogen production. The previous work has pretty much all been with strains that are easy to work with in the lab, but maybe not the best choice for compatibility with these systems. So we're looking at different microbes that thrive under extreme conditions, and that have natural resistance to certain kinds of toxicity.

What we're focused on is trying to get as much electricity as possible, as efficiently as possible, into the bugs and get them to grow happily. We've done that. Now we're starting to think about what we might be able to make, because once we have the bugs happy, then we can talk to the strain engineers, and they can start hacking away at the genes and instead of just growing, the microbes can make a product, such as fuel or building materials. We've now demonstrated that this kind of strain engineering is possible in our system for an example molecule, a natural pigment.

Q. What kind of products would these microbes make?

One of the reasons we like having the oxygen in there is that the organisms that grow with oxygen can produce a wide variety of things. You can make fat, you can make protein, you can make jet fuel directly. There's a lot of cool biology you can do. And there are a lot of people at Berkeley Lab who specialize in genetically engineering these microbes. Berkeley Lab researchers have engineered things like methyl ketones, which are basically a direct diesel fuel replacement. Donc, we could literally just have one tank running off a solar panel—right now we have a desk lamp shining on the solar panel—we put CO 2 dans, and once the microbes are engineered, you would get diesel fuel, just rising to the top of the tank. You can skim that off. It's a very clean, simple kind of a process.

Q. How would this work in a real-world setting?

That's a question that the DOE is just starting to really dig in on—where would you put this? You want a concentrated source of CO 2 , and you also want a low-cost source of renewable energy, be it solar, vent, or hydro. A lot of the current thinking is around ethanol plants in the Midwest, where there's wind power, and the CO 2 from ethanol plants is almost totally pure. And an ethanol plant already has equipment for doing biology and chemical separations.

Q. How do you envision this technology fitting into the climate change fight?

We need to start pulling CO 2 out of the atmosphere faster. Instead of carbon capture and storage, these things offer carbon capture and utilization, which provides an economic driver to pull that CO 2 out of the atmosphere instead of just, dire, pumping it underground.

I think electrons-to-molecules technology in general is going to be an answer to electrifying the last few segments of the economy that are still going to be relying on fossil fuels. It's hard to electrify a long-haul jet plane, or a rocket, or a ship. But if you can make the fuel with electricity, that's one way to electrify the rest of transportation.

I don't want to make it seem like biology is the only the only way to do this. But I think biology is an important way to do this and that biological conversion can produce products with a specificity that the other approaches really can't match. I think there is potential to move the bioeconomy in general away from any agricultural feedstocks and onto electricity, which would be a really exciting long-term prospect.