Une équipe de chercheurs basée aux États-Unis, dont des scientifiques du MIPT, a assemblé une structure biologique à l'échelle nanométrique capable de produire de l'hydrogène à partir de l'eau en utilisant la lumière. Ils ont inséré une protéine photosensible dans des nanodisques - des fragments circulaires de membrane cellulaire composés d'une bicouche lipidique - et ont amélioré la structure résultante avec des particules de dioxyde de titane, un photocatalyseur. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue ACS Nano .

le professeur Vladimir Chupin, qui dirige le Laboratoire de chimie et de physique des lipides au Centre de recherche du MIPT sur les mécanismes moléculaires du vieillissement et des maladies liées à l'âge, dit, « Nos laboratoires travaillant avec des protéines membranaires, notamment avec des nanodisques, sont principalement axés sur les questions biophysiques et médicales. Cependant, la récente étude conjointe avec nos collègues américains montre qu'en rassemblant des matériaux biologiques et techniques, les nanodisques peuvent être utilisés pour obtenir de l'hydrogène comme carburant."

Carburant hydrogène

L'hydrogène est l'une des sources d'énergie alternatives les plus propres. Quand ça brûle, le seul produit formé est la vapeur d'eau. Par ailleurs, à 45 % ou plus, l'efficacité du carburant hydrogène est beaucoup plus élevée par rapport à moins de 35 pour cent pour l'essence ou le carburant diesel. Bien que les grands constructeurs automobiles, comme Toyota, Honda, et BMW, produisent déjà des voitures à hydrogène, leur nombre est modeste. L'hydrogène est encore coûteux à obtenir, en grande partie en raison de la consommation d'énergie élevée impliquée. Pour cette raison, les chercheurs cherchent des moyens de générer ce carburant en puisant dans d'autres sources d'énergie.

L'hydrogène peut être produit à partir de l'eau grâce à l'énergie solaire. Le processus nécessite des composés spéciaux appelés photocatalyseurs. Le dioxyde de titane est l'un des plus utilisés. Ce n'est pas le photocatalyseur le plus efficace, bien que, les chercheurs se donnent donc beaucoup de mal pour améliorer ses performances en le broyant à la taille nanométrique ou en ajoutant des impuretés. À cette fin, les scientifiques de l'Argonne National Laboratory dans l'Illinois, NOUS., se sont tournés vers la biologie, assemblage d'une nanostructure constituée de dioxyde de titane et d'une protéine membranaire appelée bactériorhodopsine. En améliorant les performances de chacun, ces deux composants photosensibles forment un nouveau système dont les capacités dépassent de loin celles de ses éléments constitutifs.

La bactériorhodopsine est une protéine photosensible qui fait partie des membranes de certaines cellules microbiennes. En réalité, il existe un certain nombre de ces protéines, mais celui utilisé dans cette étude a été tiré de Halobacterium salinarum. Une extrémité de la protéine dépasse à l'extérieur d'une cellule, tandis que l'autre extrémité est à l'intérieur. La lumière du soleil fait que la bactériorhodopsine pompe des protons hors de la cellule, qui permet à la cellule de synthétiser de l'énergie sous forme d'adénosine triphosphate. Incidemment, le corps humain produit au total environ 70 kilogrammes d'ATP chaque jour.

Les chercheurs peuvent désormais synthétiser artificiellement la vie, sans aucune cellule biologique impliquée. Ainsi, les protéines membranaires fonctionnelles peuvent être obtenues en utilisant des milieux qui imitent l'environnement naturel des protéines. Les nanodisques, des fragments membranaires constitués de phospholipides et entourés de deux molécules de protéines formant une double ceinture, font partie de ces supports à la disposition des scientifiques. La taille d'un nanodisque dépend de la longueur des deux protéines en forme de ceinture. En tant que protéine membranaire, la bactériorhodopsine appartient à une membrane cellulaire et est donc tout à fait à l'aise dans un nanodisque, qui est une structure étonnante conçue pour préserver la structure naturelle des protéines. Les nanodisques ont été utilisés pour étudier les structures des protéines membranaires, développer des agents médicaux, et sont maintenant réutilisés pour la photocatalyse. Assisté par les scientifiques des matériaux du MIPT, les chercheurs ont obtenu des nanodisques de 10 nanomètres de diamètre, avec bactériorhodopsine nichée à l'intérieur.

Ils se sont retrouvés avec de l'hydrogène

L'équipe a dissous des nanodisques dans de l'eau, ainsi que des particules de dioxyde de titane. Ils ont ajouté du platine, car cela rend la photocatalyse plus efficace. Laissé une nuit dans ce mélange, les nanodisques collés aux particules catalytiques. La bactériorhodopsine, la pompe à protons, servait également d'antenne. Il capturait la lumière et transférait son énergie au dioxyde de titane, augmentant sa sensibilité à la lumière. En outre, la bactériorhodopsine remplissait sa fonction habituelle de translocation des protons, qui ont été réduits, donnant de l'hydrogène grâce à la présence du catalyseur au platine. Parce qu'il faut des électrons pour réduire les protons, les chercheurs ont ajouté du méthanol dans la solution pour servir de donneur d'électrons. Le mélange a été exposé à la lumière verte et blanche, avec quelque 74 fois plus d'hydrogène produit dans ce dernier cas. En moyenne, l'émission d'hydrogène a été maintenue à un taux presque constant pendant au moins deux à trois heures.

Bien que des expériences avec une nanostructure similaire aient été menées auparavant, ils ont utilisé la bactériorhodopsine dans une membrane cellulaire naturelle. En le remplaçant par des nanodisques, les chercheurs ont produit autant ou plus d'hydrogène, et ils ont même exigé moins de bactériorhodopsine pour la même quantité de dioxyde de titane. L'équipe pense que cela pourrait être attribué à la capacité des nanodisques compacts et uniformes à s'interfacer plus uniformément avec les particules catalytiques. Bien que la bactériorhodopsine naturelle reste l'option la moins chère, pour l'instant, il est possible que l'évolution des méthodes de biosynthèse artificielle fasse bientôt des nanodisques une alternative plus réalisable.