L'affirmation du microbiologiste Derek Lovley et de ses collègues de l'Université du Massachusetts à Amherst selon laquelle le microbe Geobacter produit de minuscules fils électriques, appelés nanofils microbiens, est embourbé dans la controverse depuis une décennie, mais les chercheurs disent qu'une nouvelle étude collaborative fournit des preuves plus solides que jamais pour étayer leurs affirmations.

Les physiciens d'UMass Amherst travaillant avec Lovley et ses collègues rapportent dans le numéro actuel de Nature Nanotechnologie qu'ils ont utilisé une nouvelle technique d'imagerie, microscopie à force électrostatique (EFM), résoudre le débat biologique avec des preuves de la physique, montrant que les charges électriques se propagent bien le long des nanofils microbiens comme elles le font dans les nanotubes de carbone, un matériau synthétique hautement conducteur.

Les physiciens Nikhil Malvankar et Sibel Ebru Yalcin, avec le professeur de physique Mark Tuominen, a confirmé la découverte à l'aide d'EFM, une technique qui peut montrer comment les électrons se déplacent à travers les matériaux. "Lorsque nous avons injecté des électrons à un endroit dans les nanofils microbiens, l'ensemble du filament s'illumine au fur et à mesure que les électrons se propagent à travers le nanofil, " dit Malvankar.

Yalcine, maintenant au Pacific Northwest National Lab, ajoute, "C'est la même réponse que vous verriez dans un nanotube de carbone ou d'autres nanofilaments synthétiques hautement conducteurs. Même les densités de charge sont comparables. C'est la première fois que l'EFM est appliquée aux protéines biologiques. Elle offre de nombreuses nouvelles opportunités en biologie. "

Lovley dit que la capacité du courant électrique à traverser les nanofils microbiens a d'importantes implications environnementales et pratiques. "Les espèces microbiennes communiquent électriquement à travers ces fils, partageant l'énergie dans des processus importants tels que la conversion des déchets en gaz méthane. Les nanofils permettent à Geobacter de vivre du fer et d'autres métaux dans le sol, modifiant considérablement la chimie du sol et jouant un rôle important dans l'assainissement de l'environnement. Les nanofils microbiens sont également des éléments clés de la capacité de Geobacter à produire de l'électricité, une nouvelle capacité qui est en train d'être adaptée pour concevoir des capteurs microbiens et des dispositifs informatiques biologiques. »

Il reconnaît qu'il y a eu un scepticisme substantiel quant au fait que les nanofils de Geobacter, qui sont des filaments de protéines, pourrait conduire les électrons comme un fil, un phénomène connu sous le nom de conductivité de type métallique. "Le scepticisme est bon en science, cela vous oblige à travailler plus dur pour évaluer si ce que vous proposez est correct, " Lovley souligne. " Il est toujours plus facile de comprendre quelque chose si vous pouvez le voir. Drs. Malvankar et Yalcin ont trouvé un moyen de visualiser la propagation des charges le long des nanofils qui est si élégant que même un biologiste comme moi peut facilement saisir le mécanisme. »

Les biologistes savent depuis des années que dans les matériaux biologiques, les électrons se déplacent généralement en sautant le long de tremplins biochimiques discrets qui peuvent contenir les électrons individuels. Par contre, les électrons des nanofils microbiens sont délocalisés, pas associé à une seule molécule. Ceci est connu sous le nom de conductivité de type métallique car les électrons sont conduits d'une manière similaire à un fil de cuivre.

Malvankar, qui a fourni la première preuve de la conductivité de type métallique des nanofils microbiens dans les laboratoires de Lovley et Tuominen en 2011, dit, « La conductivité de type métallique des nanofils microbiens semblait claire d'après la façon dont elle changeait avec la température ou le pH différents, mais il y avait encore beaucoup de sceptiques, surtout chez les biologistes."

Pour étayer davantage leur hypothèse, Le laboratoire de Lovley a génétiquement modifié la structure des nanofils, éliminer les acides aminés aromatiques qui fournissent les électrons délocalisés nécessaires à une conductivité de type métallique, gagner plus de sceptiques. Mais EFM fournit la finale, preuves clés, dit Malvankar.

"Notre imagerie montre que les charges circulent le long des nanofils microbiens même s'il s'agit de protéines, toujours dans leur état natif attaché aux cellules. Voir c'est croire. Pouvoir visualiser la propagation des charges dans les nanofils à un niveau moléculaire est très satisfaisant. Je m'attends à ce que cette technique ait un impact futur particulièrement important sur les nombreux domaines où la physique et la biologie se croisent", ajoute-t-il.

Tuominen dit, "Cette découverte met en avant non seulement un nouveau principe important en biologie mais aussi en science des matériaux. Les acides aminés naturels, lorsqu'il est disposé correctement, peuvent propager des charges similaires aux conducteurs moléculaires tels que les nanotubes de carbone. Cela ouvre des opportunités passionnantes pour la nanoélectronique à base de protéines, ce qui n'était pas possible auparavant."

Les nanofils microbiens de Lovley et ses collègues sont un composant électronique "vert" potentiel, fabriqué à partir d'énergie renouvelable, matériaux non toxiques. Ils représentent également une nouvelle part dans le domaine en pleine croissance de la biologie synthétique, il dit. "Maintenant que nous comprenons mieux le fonctionnement des nanofils, et ont démontré qu'ils peuvent être manipulés génétiquement, l'ingénierie de « microbes électriques » pour une diversité d'applications semble possible. »

Une application en cours de développement consiste à transformer Geobacter en capteurs électroniques pour détecter les contaminants environnementaux. Un autre est celui des ordinateurs microbiologiques basés sur Geobacter. Ce travail a été soutenu par l'Office of Naval Research, le département américain de l'Énergie et la National Science Foundation.