Une bactérie nommée Moorella thermoacetica ne fonctionnera pas gratuitement. Mais les chercheurs de l'UC Berkeley ont découvert qu'il avait un appétit pour l'or. Et en échange de ce cadeau spécial, la bactérie a révélé une voie plus efficace pour produire des combustibles solaires grâce à la photosynthèse artificielle.

M. thermoacetica a fait ses débuts en tant que première bactérie non photosensible à effectuer la photosynthèse artificielle dans une étude dirigée par Peidong Yang, professeur au Collège de chimie de l'UC Berkeley. En fixant des nanoparticules absorbant la lumière en sulfure de cadmium (CdS) à l'extérieur de la membrane bactérienne, les chercheurs ont transformé M. thermoacetica en une minuscule machine à photosynthèse, convertir la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles.

Maintenant, Yang et son équipe de chercheurs ont trouvé un meilleur moyen d'inciter cette bactérie avide de CO2 à être encore plus productive. En plaçant des nanoclusters d'or absorbant la lumière à l'intérieur de la bactérie, ils ont créé un système biohybride qui produit un rendement de produits chimiques plus élevé que ce qui avait été démontré auparavant. La recherche, financé par les National Institutes of Health, a été publié le 1er octobre dans Nature Nanotechnologie .

Pour le premier modèle hybride, M. thermoacetica-CdS, les chercheurs ont choisi le sulfure de cadmium comme semi-conducteur pour sa capacité à absorber la lumière visible. Mais parce que le sulfure de cadmium est toxique pour les bactéries, les nanoparticules devaient être attachées à la membrane cellulaire "de manière extracellulaire, " ou à l'extérieur du système M. thermoacetica-CdS. La lumière du soleil excite chaque nanoparticule de sulfure de cadmium pour qu'elle génère une particule chargée appelée électron. Au fur et à mesure que ces électrons générés par la lumière traversent la bactérie, ils interagissent avec plusieurs enzymes dans un processus connu sous le nom de "réduction du CO2, " déclenchant une cascade de réactions qui finit par transformer le CO2 en acétate, un produit chimique précieux pour la fabrication de combustibles solaires.

Mais dans le modèle extracellulaire, les électrons finissent par interagir avec d'autres produits chimiques qui n'ont aucun rôle dans la transformation du CO2 en acétate. Et comme résultat, certains électrons sont perdus et n'atteignent jamais les enzymes. Donc, pour améliorer ce qu'on appelle "l'efficacité quantique, " ou la capacité de la bactérie à produire de l'acétate à chaque fois qu'elle gagne un électron, les chercheurs ont trouvé un autre semi-conducteur :des nanoclusters constitués de 22 atomes d'or (Au22), un matériau auquel M. thermoacetica a pris un éclat surprenant.

"Nous avons sélectionné Au22 car il est idéal pour absorber la lumière visible et a le potentiel de conduire le processus de réduction de CO2, mais nous ne savions pas si ce serait compatible avec la bactérie, " a dit Yang. " Quand nous les avons inspectés au microscope, nous avons découvert que les bactéries étaient chargées de ces clusters Au22 et qu'elles étaient toujours heureuses en vie."

L'imagerie du système M. thermoacetica-Au22 a été réalisée au Molecular Imaging Center de l'UC Berkeley.

Les chercheurs ont également sélectionné Au22 ¬- surnommé par les chercheurs comme des nanoclusters d'or "magiques" - pour sa taille ultra-petite :un seul nanocluster Au22 n'a que 1 nanomètre de diamètre, permettant à chaque nanocluster de glisser facilement à travers la paroi cellulaire bactérienne.

"En nourrissant des bactéries avec des nanoclusters Au22, nous avons efficacement rationalisé le processus de transfert d'électrons pour la voie de réduction du CO2 à l'intérieur des bactéries, comme en témoigne une efficacité quantique de 2,86%, soit 33% d'acétate de plus produit dans le système M. thermoacetica-Au22 que le modèle CdS, " a dit Yang.

Le nanocluster magique d'or est la dernière découverte du laboratoire de Yang, qui, au cours des six dernières années, s'est concentré sur l'utilisation de nanostructures biohybrides pour convertir le CO2 en produits chimiques utiles dans le cadre d'un effort continu pour trouver des solutions abordables, ressources abondantes pour les carburants renouvelables, et des solutions potentielles pour contrecarrer les effets du changement climatique.

"Prochain, nous aimerions trouver un moyen de réduire les coûts, améliorer les durées de vie de ces systèmes biohybrides, et améliorer l'efficacité quantique, " a déclaré Yang. " En continuant à regarder l'aspect fondamental de la façon dont les nanoclusters d'or sont photoactivés, et en suivant le processus de transfert d'électrons dans la voie de réduction du CO2, nous espérons trouver des solutions encore meilleures."