Des filaments de protéines fabriqués à l'origine par des bactéries ont été modifiés par des scientifiques pour conduire l'électricité. Dans une étude publiée récemment dans la revue Small , les chercheurs ont révélé que les nanofils de protéines, qui ont été modifiés en ajoutant un seul composé, peuvent conduire l'électricité sur de courtes distances et exploiter l'énergie de l'humidité de l'air.
"Nos résultats ouvrent la voie au développement de composants et de dispositifs électriques durables et respectueux de l'environnement, basés sur des protéines", déclare le Dr Lorenzo Travaglini, auteur principal de l'article. "Ces nanofils artificiels pourraient un jour conduire à des innovations dans les domaines de la récupération d'énergie, des applications biomédicales et de la détection environnementale."
Les développements dans le domaine interdisciplinaire qui combinent l'ingénierie des protéines et la nanoélectronique sont également prometteurs pour le développement de technologies de pointe qui comblent le fossé entre les systèmes biologiques et les appareils électroniques.
"En fin de compte, notre objectif est de modifier les matériaux produits par les bactéries pour créer des composants électroniques. Cela pourrait conduire à une toute nouvelle ère d'électronique verte, contribuant ainsi à façonner un avenir plus durable", explique le Dr Travaglini, supervisé par le Dr. Dominic Glover dans le SYNbioLAB de l'École de biotechnologie et des sciences biomoléculaires.
L'électricité est créée par le mouvement d'électrons (de petites particules portant une charge électrique) entre les atomes.
"De nombreux événements dans la nature nécessitent le mouvement d'électrons et sont une source d'inspiration pour de nouvelles techniques de récupération d'électricité", explique le Dr Travaglini. "Par exemple, la chlorophylle des plantes doit déplacer des électrons entre différentes protéines pour pouvoir effectuer la photosynthèse."
Les bactéries naturelles utilisent également des filaments conducteurs, appelés nanofils, pour transférer des électrons à travers leurs membranes. Il est important de noter que les nanofils bactériens qui conduisent l'électricité ont le potentiel d'interagir avec des systèmes biologiques, tels que les cellules vivantes, et pourraient être utilisés en biodétection pour surveiller les signaux internes du corps à l'aide d'une interface homme-machine.
Cependant, lorsqu'ils sont extraits directement des bactéries, ces nanofils naturels sont difficiles à modifier et ont une fonctionnalité limitée.
"Pour surmonter ces limitations, nous avons génétiquement modifié une fibre en utilisant la bactérie E. coli", explique le Dr Travaglini. "Nous avons modifié l'ADN d'E. coli pour que la bactérie produise non seulement les protéines dont elle avait besoin pour survivre, mais qu'elle construise également la protéine spécifique que nous avions conçue, que nous avons ensuite conçue et assemblée en nanofils en laboratoire."
L'équipe savait qu'à elle seule, la protéine produite par la bactérie ne serait pas hautement conductrice, mais qu'elle devrait ajouter un seul ingrédient.
La pièce manquante du puzzle était une molécule hème.
L'hème est une structure circulaire, connue sous le nom d'anneau de porphyrine, avec un atome de fer situé au milieu. Il est responsable du transport de l'oxygène présent dans les globules rouges des poumons vers le reste du corps.
Des recherches récentes ont suggéré que lorsque les molécules d’hème sont rapprochées, elles permettent le transfert d’électrons. Ainsi, le Dr Travaglini et son équipe ont intégré l'hème dans les filaments produits par les bactéries, soupçonnant que les électrons pourraient sauter entre les molécules d'hème si elles étaient suffisamment proches les unes des autres.
En laboratoire, l’équipe a mesuré la conductance des filaments fabriqués en déposant un film du matériau sur une électrode et en appliquant un potentiel électrique. "Comme nous nous y attendions, nous avons constaté qu'en ajoutant de l'hème au filament, la protéine devenait conductrice, alors que le filament nu sans hème ne montrait aucun courant", explique le Dr Travaglini.
Alors que le Dr Travaglini et le Dr Glover avaient initialement entrepris de moduler un matériau naturel pour en faire un fil conducteur, ils ont découvert des résultats surprenants.
"Nous avons effectué les tests de conductivité dans une chambre où vous pouvez contrôler les conditions extérieures", explique le Dr Travaglini. "Nous avons commencé à remarquer que dans ce qui est considéré comme des "conditions ambiantes", entre 20 et 30 % d'humidité, le courant électrique était plus fort."
L’équipe a décidé d’effectuer davantage de tests, en utilisant des quantités plus épaisses de matériau, prises en sandwich entre deux électrodes en or. "Nous avons suggéré que l'humidité créait un gradient de charge dans toute la profondeur du matériau", explique le Dr Travaglini. "Et cette charge déséquilibrée à travers le film est capable de créer un court courant, sans avoir à appliquer aucun potentiel."
Une fois qu’ils ont découvert que le filament réagissait à l’humidité, ils ont créé un simple capteur d’humidité pour mesurer la réaction du courant à l’humidité de l’air, en respirant simplement sur l’appareil. "Nous avons constaté que chaque pic de conductivité de la fibre correspondait à une expiration", explique le Dr Travaglini.
Cette recherche pourrait ouvrir la porte à la possibilité de produire des appareils électriques à partir de matériaux durables et non toxiques nécessitant une consommation d'énergie ultra faible.
"Les appareils électroniques que nous avons tendance à utiliser sont créés par des processus qui nécessitent des températures élevées et sont très gourmands en énergie. Ils ne sont pas écologiques et les matériaux dont ils sont issus peuvent être toxiques", explique le Dr Travaglini. "Utiliser des biomatériaux pour créer de l'électricité est bien plus respectueux de l'environnement. Nous pouvons produire ces filaments à partir de bactéries, et c'est évolutif."
Les propriétés de ces assemblages de protéines pourraient également être ajustables en modulant la structure chimique de l’hème ou l’environnement du filament. L'équipe expérimente actuellement l'incorporation de différentes molécules de porphyre pour modifier les propriétés du matériau, notamment celles sensibles à la lumière. "Ce niveau de contrôle est difficile à atteindre avec des nanofils bactériens naturels, ce qui met en évidence la polyvalence et le potentiel de notre approche synthétique", explique le Dr Travaglini.
Le Dr Travaglini souligne que son équipe en est encore aux premiers stades de la recherche et qu'il faudra peut-être attendre un certain temps avant de voir ces filaments techniques utilisés dans nos appareils électroniques quotidiens. "C'est vraiment une question de traduction", dit-il. "Nous ne savons pas exactement combien de temps cela va prendre, mais nous pouvons voir que nous allons dans la bonne direction."
Plus d'informations : Lorenzo Travaglini et al, Fabrication de nanofils protéine-hème électroniquement conducteurs pour la récupération d'énergie, Petit (2024). DOI : 10.1002/smll.202311661
Informations sur le journal : Petit
Fourni par l'Université de Nouvelle-Galles du Sud
