"Nous plaçons des nanotubes à l'intérieur de bactéries", explique le professeur Ardemis Boghossian de la Faculté des sciences de base de l'EPFL. "Cela ne semble pas très excitant à première vue, mais c'est en fait un gros problème. Les chercheurs ont mis des nanotubes dans des cellules de mammifères qui utilisent des mécanismes comme l'endocytose, qui sont spécifiques à ces types de cellules. Les bactéries, en revanche, ne "Nous n'avons pas ces mécanismes et sommes confrontés à des défis supplémentaires pour faire passer les particules à travers leur extérieur dur. Malgré ces obstacles, nous avons réussi à le faire, et cela a des implications très intéressantes en termes d'applications."

Les recherches de Boghossian portent sur l'interfaçage des nanomatériaux artificiels avec des constructions biologiques, y compris des cellules vivantes. Les technologies "nanobioniques" qui en résultent combinent les avantages des mondes vivant et non vivant. Depuis des années, son groupe travaille sur les applications nanomatériaux des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT), des tubes d'atomes de carbone aux propriétés mécaniques et optiques fascinantes.

Ces propriétés rendent les SWCNT idéaux pour de nombreuses nouvelles applications dans le domaine de la nanobiotechnologie. Par exemple, des SWCNT ont été placés à l'intérieur de cellules de mammifères pour surveiller leur métabolisme à l'aide d'une imagerie dans le proche infrarouge. L'insertion des SWCNT dans les cellules de mammifères a également conduit à de nouvelles technologies pour administrer des médicaments thérapeutiques à leurs cibles intracellulaires, tandis que dans les cellules végétales, ils ont été utilisés pour l'édition du génome. Des SWCNT ont également été implantés chez des souris vivantes pour démontrer leur capacité à imager les tissus biologiques profondément à l'intérieur du corps.

Nanotubes fluorescents dans les bactéries :une première

Dans un article publié dans Nature Nanotechnology , le groupe de Boghossian avec ses collègues internationaux a réussi à "convaincre" les bactéries d'absorber spontanément les SWCNT en les "décorant" avec des protéines chargées positivement qui sont attirées par la charge négative de la membrane externe de la bactérie. Les deux types de bactéries explorées dans l'étude, Synechocystis et Nostoc, appartiennent au phylum des cyanobactéries, un énorme groupe de bactéries qui tirent leur énergie de la photosynthèse, comme les plantes. Ils sont également "Gram-négatifs", ce qui signifie que leur paroi cellulaire est mince et qu'ils ont une membrane externe supplémentaire qui manque aux bactéries "Gram-positives".

Les chercheurs ont observé que les cyanobactéries internalisaient les SWCNT par un processus passif, dépendant de la longueur et sélectif. Ce processus a permis aux SWCNT de pénétrer spontanément dans les parois cellulaires du Synechocystis unicellulaire et du long Nostoc multicellulaire ressemblant à un serpent.

Suite à ce succès, l'équipe a voulu voir si les nanotubes pouvaient être utilisés pour imager les cyanobactéries, comme c'est le cas avec les cellules de mammifères. "Nous avons construit une configuration personnalisée unique en son genre qui nous a permis d'imager la fluorescence spéciale dans le proche infrarouge que nous obtenons de nos nanotubes à l'intérieur des bactéries", explique Boghossian.

Alessandra Antonucci, ancienne doctorante. Un étudiant du laboratoire de Boghossian ajoute :« Lorsque les nanotubes sont à l'intérieur des bactéries, vous pouvez les voir très clairement, même si les bactéries émettent leur propre lumière. C'est parce que les longueurs d'onde des nanotubes sont loin dans le rouge, le proche infrarouge. Vous obtenez un signal très clair et stable des nanotubes que vous ne pouvez obtenir d'aucun autre capteur de nanoparticules. Nous sommes ravis car nous pouvons désormais utiliser les nanotubes pour voir ce qui se passe à l'intérieur des cellules qui ont été difficiles à imager à l'aide des particules ou des protéines plus traditionnelles. Les nanotubes émettent une lumière qu'aucune matière vivante naturelle n'émet, pas à ces longueurs d'onde, et qui fait que les nanotubes se démarquent vraiment dans ces cellules."

'Nanobionique héritée'

Les scientifiques ont pu suivre la croissance et la division des cellules en surveillant les bactéries en temps réel. Leurs découvertes ont révélé que les SWCNT étaient partagés par les cellules filles du microbe en division. "Lorsque les bactéries se divisent, les cellules filles héritent des nanotubes ainsi que les propriétés des nanotubes", explique Boghossian.

"Nous appelons cela" la nanobionique héritée ". C'est comme avoir un membre artificiel qui vous donne des capacités au-delà de ce que vous pouvez réaliser naturellement. Et maintenant imaginez que vos enfants peuvent hériter de vous ses propriétés à leur naissance. Non seulement nous avons transmis aux bactéries ce comportement artificiel, mais ce comportement est également hérité par leurs descendants. C'est notre première démonstration de nanobionique héritée."

Photovoltaïque vivant

"Un autre aspect intéressant est que lorsque nous mettons les nanotubes à l'intérieur de la bactérie, la bactérie montre une amélioration significative de l'électricité qu'elle produit lorsqu'elle est éclairée par la lumière", explique Melania Reggente, post-doctorante du groupe de Boghossian. "Et notre laboratoire travaille maintenant sur l'idée d'utiliser ces bactéries nanobioniques dans un photovoltaïque vivant."

Le photovoltaïque « vivant » est un dispositif de production d'énergie biologique qui utilise des micro-organismes photosynthétiques. Bien qu'encore aux premiers stades de développement, ces appareils représentent une véritable solution à notre crise énergétique actuelle et aux efforts de lutte contre le changement climatique.

"Il y a un sale secret dans la communauté photovoltaïque", déclare Boghossian. "C'est de l'énergie verte, mais l'empreinte carbone est très élevée ; beaucoup de CO₂ est sorti juste pour fabriquer la plupart des photovoltaïques standard. Mais ce qui est bien avec la photosynthèse, c'est non seulement qu'elle exploite l'énergie solaire, mais qu'elle a aussi une empreinte carbone négative. Au lieu de rejeter du CO₂ , il l'absorbe. Cela résout donc deux problèmes à la fois :la conversion de l'énergie solaire et le CO₂ séquestration. Et ces cellules solaires sont vivantes. Vous n'avez pas besoin d'une usine pour construire chaque cellule bactérienne individuelle; ces bactéries s'auto-répliquent. Ils absorbent automatiquement du CO₂ produire davantage d'eux-mêmes. C'est le rêve d'un spécialiste des matériaux."

Boghossian envisage un dispositif photovoltaïque vivant basé sur des cyanobactéries qui ont un contrôle automatisé de la production d'électricité qui ne repose pas sur l'ajout de particules étrangères. "En termes de mise en œuvre, le goulot d'étranglement est désormais le coût et les effets environnementaux de l'introduction à grande échelle de nanotubes à l'intérieur de cyanobactéries."

Dans l'optique d'une mise en œuvre à grande échelle, Boghossian et son équipe se tournent vers la biologie synthétique pour trouver des réponses :"Notre laboratoire travaille maintenant sur la bio-ingénierie des cyanobactéries qui peuvent produire de l'électricité sans avoir besoin d'additifs de nanoparticules. Les progrès de la biologie synthétique nous permettent de reprogrammer ces cellules à se comporter de manière totalement artificielle. Nous pouvons les concevoir de manière à ce que la production d'électricité soit littéralement dans leur ADN. + Explorer plus loin

L'évolution dirigée construit des nanoparticules