La découverte d'un fondamental, propriété jusque-là inconnue des nanofils microbiens dans la bactérie Geobacter sulfurreducens qui permet le transport d'électrons sur de longues distances pourrait révolutionner la nanotechnologie et la bioélectronique, déclare une équipe de physiciens et de microbiologistes de l'Université du Massachusetts à Amherst.

Leurs conclusions rapportées dans le numéro en ligne anticipé du 7 août de Nature Nanotechnologie peut un jour conduire à moins cher, nanomatériaux non toxiques pour les biocapteurs et l'électronique à l'état solide qui s'interfacent avec les systèmes biologiques.

Le microbiologiste principal Derek Lovley avec les physiciens Mark Tuominen, Nikhil Malvankar et ses collègues, dire des réseaux de filaments bactériens, appelés nanofils microbiens car ils conduisent les électrons sur toute leur longueur, peut déplacer des charges aussi efficacement que les nanostructures métalliques organiques synthétiques, et ils le font sur des distances remarquables, des milliers de fois la longueur de la bactérie.

Réseaux de nanofils microbiens parcourant les biofilms, qui sont des agrégats cohésifs de milliards de cellules, donner à ce matériau biologique une conductivité comparable à celle que l'on trouve dans les polymères conducteurs synthétiques, qui sont couramment utilisés dans l'industrie électronique.

Loveley dit, "La capacité des filaments de protéines à conduire les électrons de cette manière est un changement de paradigme en biologie et a des ramifications pour notre compréhension des processus microbiens naturels ainsi que des implications pratiques pour le nettoyage de l'environnement et le développement de sources d'énergie renouvelables."

La découverte représente un changement fondamental dans la compréhension des biofilms, ajoute Malvankar. « Chez cette espèce, le biofilm contient des protéines qui se comportent comme un métal, conduire des électrons sur une très longue distance, essentiellement aussi loin que vous pouvez étendre le biofilm."

Tuominen, le physicien principal, ajoute, "Cette découverte met en avant non seulement un nouveau principe important en biologie mais en science des matériaux. Nous pouvons maintenant étudier une gamme de nouveaux nanomatériaux conducteurs vivants, d'origine naturelle, non toxique, plus facile à produire et moins coûteux que l'homme. Ils peuvent même nous permettre d'utiliser l'électronique dans l'eau et les environnements humides. Cela ouvre des opportunités passionnantes pour des applications biologiques et énergétiques qui n'étaient pas possibles auparavant."

Les chercheurs rapportent que c'est la première fois qu'une conduction de type métallique de charge électrique le long d'un filament de protéine est observée. On pensait auparavant qu'une telle conduction nécessiterait un mécanisme impliquant une série d'autres protéines connues sous le nom de cytochromes, avec des électrons faisant de courts sauts de cytochrome en cytochrome. Par contre, l'équipe UMass Amherst a démontré une conduction à longue distance en l'absence de cytochromes. Les filaments Geobacter fonctionnent comme un vrai fil.

Dans la nature, Geobacter utilise ses nanofils microbiens pour transférer des électrons sur des oxydes de fer, minéraux naturels ressemblant à de la rouille dans le sol, cela pour Geobacter remplit la même fonction que l'oxygène pour les humains. "Ce que Geobacter peut faire avec ses nanofils, c'est comme respirer à travers un tuba de 10 kilomètres de long, " dit Malvankar.

Le groupe UMass Amherst avait proposé dans un article de 2005 dans Nature que les nanofils de Geobacter pourraient représenter une nouvelle propriété fondamentale en biologie, mais ils n'avaient pas de mécanisme, ont donc été accueillis avec beaucoup de scepticisme. Pour continuer à expérimenter, Lovley et ses collègues ont profité du fait qu'en laboratoire, Geobacter se développera sur des électrodes, qui remplacent les oxydes de fer. Sur les électrodes, les bactéries produisent épais, biofilms électroconducteurs. Dans une série d'études avec des souches génétiquement modifiées, les chercheurs ont découvert que la conductivité de type métallique dans le biofilm pouvait être attribuée à un réseau de nanofils s'étalant dans tout le biofilm.

Ces structures spéciales sont accordables d'une manière jamais vue auparavant, les chercheurs d'UMass Amherst ont trouvé. Tuominen souligne qu'il est bien connu dans la communauté des nanotechnologies que les propriétés des nanofils artificiels peuvent être modifiées en modifiant leur environnement. L'approche naturelle de Geobacter est unique en permettant aux scientifiques de manipuler les propriétés conductrices en changeant simplement la température ou en régulant l'expression des gènes pour créer une nouvelle souche, par exemple. Malvankar ajoute qu'en introduisant une troisième électrode, un biofilm peut agir comme un transistor biologique, pouvant être allumé ou éteint en appliquant une tension.

Un autre avantage offert par Geobacter est sa capacité à produire des matériaux naturels plus respectueux de l'environnement et un peu moins chers que ceux fabriqués par l'homme. Bon nombre des matériaux nanotechnologiques d'aujourd'hui sont coûteux à produire, beaucoup nécessitant des éléments rares, dit Tuominen. Geobacter est une véritable alternative naturelle. "En tant que personne qui étudie les matériaux, Je vois les nanofils dans ce biofilm comme un nouveau matériau, celui qui se trouve être fait par la nature. C'est excitant qu'il puisse combler le fossé entre l'électronique à l'état solide et les systèmes biologiques. Il est biocompatible d'une manière que nous n'avons jamais vue auparavant."

Lovley plaisante, "Nous fabriquons essentiellement de l'électronique à partir de vinaigre. Cela ne peut pas être beaucoup moins cher ou plus "vert" que cela."

Finalement, c'est une histoire de collaboration interdisciplinaire, ce qui est beaucoup plus difficile à accomplir qu'il n'y paraît, dit Loveley. "Nous avons eu beaucoup de chance d'avoir un financement flexible de l'Office of Naval Research, le ministère de l'Énergie et la National Science Foundation qui nous ont permis de suivre certaines intuitions. Aussi, il a fallu un doctorant en physique assez courageux pour venir en microbiologie pour travailler avec quelque chose d'humide et de visqueux. » Cet étudiant, Nikhil Malvankar, est maintenant un chercheur postdoctoral qui, avec Lovley et Tuominen, continuera à explorer ce qui confère aux filaments de protéines de Geobacter leurs propriétés électriques uniques.