Connaissez-vous l'électromicrobiologie ?

«Amplifier le monde de l'électromicrobiologie», source ASM News.

Les électriciens sont ici des bactéries qui possèdent la capacité remarquable de produire de l'électricité. Comprendre et exploiter cette propriété peut avoir une pertinence environnementale, biotechnologique et médicale.

Le monde microbien présente une diversité morphologique, biochimique et métabolique extraordinaire. Qu'ils survivent dans des environnements extrêmes, s'adaptent à des conditions de stress ou modifient le paysage de notre planète, les microbes accomplissent des exploits étonnants. La diversité du fonctionnement métabolique permet aux microbes d'utiliser une large gamme de produits chimiques comme sources d'énergie. Certaines bactéries possèdent même la capacité remarquable de produire de l'électricité. Ces bactéries sont désignées par une variété de noms, y compris bactéries électricigènes, exo-électrogènes, électroactives ou bactéries anodiques. Les mécanismes derrière cette capacité unique sont enracinés dans l'électrochimie, qui implique le transfert d'électrons d'une molécule à une autre et sous-tend la respiration chez tous les organismes vivants. Ce qui rend les bactéries électrogènes uniques, c'est qu'elles possèdent des circuits redox spéciaux qui peuvent s'étendre à l'extérieur de la cellule pour transférer des électrons à des surfaces solides et conductrices, comme des électrodes, et générer du courant.

Systèmes bioélectrochimiques pour un monde durable

Pile à combustible microbienne, ci-contre.

Les systèmes bioélectrochimiques exploitent les propriétés électroactives des micro-organismes pour générer de l'électricité à partir de matière organique. Ces systèmes fonctionnent de la même manière que les batteries, mais s'appuient sur des microbes pour générer du courant. Les premiers développements utilisant cette technologie se sont principalement concentrés sur l'utilisation de piles à combustible microbiennes comme réacteurs pour le traitement des eaux usées, car les microbes peuvent utiliser la matière organique présente dans les eaux usées pour produire de l'électricité. Cependant, à mesure que l'étendue des microbes électroactifs a été progressivement découverte, des études fondamentales sur la nature de l'électroactivité ont gagné du terrain. Les piles à combustible microbiennes, les cellules microbiennes à trois électrodes, les cellules d'électrolyse microbienne, les cellules d'électrosynthèse microbienne et les cellules solaires microbiennes sont quelques exemples des différents types de cellules électrochimiques microbiennes utilisées aujourd'hui. Ces dispositifs, communément abrégés en MXCs, où X désigne la fonctionnalité du réacteur, ont fait des progrès rapides pour une variété d'applications environnementales, technologiques et médicales.

Traitement des déchets et récupération des ressources

L'intégration des piles à combustible microbiennes avec les usines de traitement des eaux usées a conduit à la récupération d'énergie et à une amélioration du processus de traitement des eaux usées. Une usine pilote en Inde qui incorporait un réacteur bioélectrochimique a été utilisée pour développer des toilettes électriques autonomes qui utilisaient des déchets humains pour allumer une ampoule. Un projet similaire en Angleterre a intégré des piles à combustible microbiennes en céramique avec des interfaces électroniques dans des toilettes pour alimenter un robinet électronique. De tels projets traitent efficacement les déchets, offrent un système de production d'énergie durable à partir des déchets et améliorent l'hygiène et l'efficacité des toilettes publiques.

Le potentiel des systèmes bioélectrochimiques pour la capture du carbone de l'environnement a également été reconnu. L'électrosynthèse microbienne, qui implique l'absorption d'électrons par des microbes afin de réduire le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles, a déjà suscité un intérêt et un financement de recherche importants. L'utilisation de bactéries électroactives dans les bioraffineries (analogues aux raffineries de pétrole) est présentée comme une technologie importante qui peut récupérer de l'énergie, des produits chimiques et de l'eau à partir de la biomasse et des eaux usées.

Les piles à combustible microbiennes ont également été utilisées dans le traitement des xénobiotiques, des polluants organiques et de la récupération des métaux lourds. Dans les régions éloignées, les systèmes bioélectrochimiques peuvent être déployés en tant que biocapteurs efficaces pour détecter la présence de substances toxiques telles que les métaux lourds et les pesticides. Le biofilm électroactif agit comme l'élément de détection, le courant généré constitue le signal et l'électrode elle-même fonctionne comme le transducteur. De tels capteurs peuvent fournir une méthode non invasive, rapide et efficace pour surveiller davantage la qualité de l'eau.

Pertinence médicale

Bien que cela ne soit pas directement apparent, l'électromicrobiologie peut également avoir une importance significative en médecine. La découverte de l'électroactivité chez le pathogène opportuniste Gram positif Enterococcus faecalis dans des conditions riches en fer soulève la possibilité d'une pathogénicité liée au transfert d'électrons. Certains autres pathogènes démontrant une électroactivité comprennent Listeria monocytogenes, Corynebacterium matruchotii et Streptococcus mutans. Une meilleure compréhension de l'électroactivité de ces pathogènes pourrait potentiellement conduire au développement de nouvelles cibles médicamenteuses pour traiter les infections. On pense également que plusieurs bactéries intestinales sont électroactives, et d'autres études pourraient élucider le rôle de l'électroactivité dans le maintien d'un microbiome intestinal sain. De plus, les piles à combustible électrochimiques abiotiques alimentées de manière autonome par les fluides corporels ont le potentiel d'être développées en capteurs portables qui sont petits, faciles à manipuler et peut fournir des données en temps réel sur les maladies, ce qui permet une gestion efficace des maladies chroniques.

Un schéma d'une cellule d'électrolyse microbienne (MFC pour microbial electrolysis cell).

Nouvelles technologies basées sur l'électromicrobiologie

Dans ce qui peut ressembler à de la science-fiction, une équipe de chercheurs, dirigée par le Dr Jun Yao, a réussi à générer de l'électricité comme par enchantement ! Les chercheurs ont isolé des films de nanofils conducteurs de Geobacter sulfurrreducens et les ont pris en sandwich entre des électrodes pour créer un dispositif appelé «Air-gen». Cet appareil adsorbe l'eau de l'atmosphère environnante et une combinaison de conductivité électrique et de chimie de surface des nanofils (appendices filamenteux capables de faciliter le transfert d'électrons extracellulaires à longue distance) génère un courant électrique entre les électrodes. Air-gen est un moyen rentable et renouvelable de produire de l'électricité à partir de l'humidité ambiante et ne nécessite rien d'autre que de l'air. Il peut fonctionner à l'extérieur ou à l'intérieur, dans l'obscurité ou la lumière, et nécessite un entretien minimal, augmentant les possibilités de production d'électricité durable, continue et renouvelable. Dans les pays en voie de développement, ces technologies peuvent être particulièrement utiles car elles offrent un moyen de générer de l'électricité hors réseau de manière abordable.

Des études ont également démontré qu'un bio-memristor fabriqué avec des nanofils protéiques de G. sulfurreducens est capable de faciliter la communication entre les interfaces électroniques et biologiques, conduisant à des possibilités intéressantes de «e-biologics» ou de matériaux électroniques fabriqués avec des composants microbiens. Les e-Biologics peuvent non seulement améliorer les performances des appareils électroniques, mais peuvent également offrir un moyen durable de concevoir des produits qui réduisent la consommation de matières premières coûteuses. De plus, ces appareils sont biodégradables, de sorte que le problème de l'élimination des déchets des appareils électroniques conventionnels n'est pas un problème. Déjà, les progrès technologiques ont permis la production à grande échelle de nanofils dans les cellules de E. coli agissant comme châssis via le génie génétique. Dans un avenir pas si lointain, la bioélectronique fonctionnelle utilisant des filaments de protéines conductrices de bactéries électroactives pourrait apporter une révolution dans «l'électronique verte».

Electromicrobiologie

Afin d'exploiter le pouvoir unique des microbes pour créer de l'électricité, une compréhension approfondie des mécanismes par lesquels ils le font est nécessaire. Deux des électricigènes les mieux étudiées sont Shewanella oneidensis et G. sulfurreducens. Le transfert d'électrons extracellulaires dans ces bactéries (et d'autres électrogènes) peut être facilité soit par un transfert d'électrons direct, où le microbe réduit directement un accepteur d'électrons terminal, soit par un transfert d'électrons médié, qui implique l'utilisation de navettes redox solubles.

Image ci-contre en microscopie électronique à balayage de la bactérie Rhodopseudomonas palustris (rouge) colonisant la surface d'une mousse de carbone enduite de graphène électriquement conductrice. Des nanofils peuvent être vus dépassant de certaines cellules et se fixant directement à la surface du graphène ou à d'autres cellules. Source.

Le transfert d'électrons direct repose principalement sur des cytochromes multihèmes, qui sont présents sur la membrane externe, pour établir le contact avec l'accepteur d'électrons terminal et faciliter le transfert d'électrons ultérieur. Chez certaines bactéries, le transfert direct d'électrons peut également se faire via des nanofils, qui sont capables d'établir un contact direct avec l'accepteur d'électrons terminal. On pense que les nanofils sont de nature conductrice, permettant ainsi le transfert d'électrons extracellulaire. Cependant, des points de vue opposés suggérant qu'ils ont plus un rôle sécrétoire que conducteur ont également été présentés. Le débat autour de la structure et de la fonction des nanofils n'est pas entièrement résolu et, comme mentionné ci-dessus, est actuellement un domaine de recherche passionnant en électromicrobiologie.

Le transfert d'électrons médié repose sur des navettes d'électrons solubles, telles que les flavines, les phénazines et les quinones. Ces médiateurs sont souvent des molécules redox et sont synthétisés de manière endogène et sécrétés par les bactéries pour faciliter le transfert d'électrons extracellulaire. Ils acceptent les électrons du microbe, puis procèdent à leur transfert vers l'électrode, après quoi ils peuvent initier un autre cycle de transfert d'électrons. Des bactéries comme Shewanella peuvent utiliser à la fois un transfert d'électrons direct et médié.

Ces dernières années, la découverte de mécanismes de transfert d'électrons dans les bactéries du câble a ajouté une nouvelle dimension à l'électromicrobiologie. Les bactéries du câble sont des bactéries filamenteuses multicellulaires appartenant au groupe des Deltaproteobacteria. Un aspect remarquable de ces bactéries est qu'il existe une division du travail métabolique entre les différentes cellules constituant le câble. Certaines cellules oxydent les donneurs d'électrons, tandis que d'autres réduisent les accepteurs d'électrons. La communication intercellulaire entre différentes cellules se produit via des signaux électriques. Ces bactéries se trouvent couramment dans les sédiments anoxiques et peuvent transférer des électrons aussi loin en tant que distances centimétriques en utilisant des gradients de potentiel redox le long de la longueur de leurs filaments. En plus de contribuer à une compréhension fondamentale des mécanismes moléculaires de l'électromicrobiologie, les bactéries du câble peuvent avoir des applications potentiellement utiles, notamment en minimisant des émissions de méthane des environnements naturels.

La voie à suivre

La découverte récente du transfert d'électrons dans le sens inverse, c'est-à-dire de l'électrode/des minéraux aux microbes, a suscité des recherches sur la façon dont les électricigènes peuvent générer de l'énergie dans des environnements pauvres en nutriments. Un autre développement intéressant est l'idée que l'électroactivité ne soit pas limitée aux seuls électricigènes, mais existe plutôt en tant que spectre. L'importance des électricigènes faibles (bactéries qui démontrent une réponse de courant inattendue ou peu fiable) intéresse les chercheurs, et la capture des signaux électroactifs des électricigènes faibles est justifiée. L'électromicrobiologie est un domaine véritablement multidisciplinaire, fusionnant l'électrochimie, la microbiologie, la biochimie et l'ingénierie pour présenter des opportunités intéressantes pour des applications dans le monde réel. Pour l'avenir, il existe de nombreuses opportunités de recherche et de développement dans ce domaine.

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