Les bactéries du genre Geobacter ressemblent à des haricots rouges avec de longues queues filiformes; Et en effet, il s’avère que ces « nanofils » conduisent l’électricité. Les scientifiques qui ont passé des décennies à étudier ces micro-organismes conducteurs espèrent développer une technologie de vie sûre qui fonctionne à l’intérieur du corps humain, résiste à la corrosion ou même extrait l’électricité de littéralement rien.

Cependant, pour le mettre en pratique, le mystère de la fonction réelle de ces minuscules fibres doit d’abord être percé, ce qui a suscité un débat vigoureux.

Derek Lovley, microbiologiste à l’Université du Massachusetts à Amherst, a découvert les capacités conductrices de Geobacter lorsqu’il a entrepris de découvrir le mécanisme par lequel ces bactéries se débarrassent des électrons générés au cours de leur processus de génération d’énergie. La plupart des microbes ont besoin de transférer des électrons aux molécules d’oxygène voisines pour « respirer », mais GeobacterIl prospère dans des environnements dépourvus de gaz. Lovley s’est rendu compte que ces micro-organismes produisent de longues chaînes de protéines qui transportent les électrons vers les oxydes de fer voisins, qui sont transformés en magnétite par l’action des particules chargées. D’autres nanofils protéiques ont depuis été trouvés, mais Lovley pense qu’un certain type de ces filaments, connu sous le nom de pili, joue un rôle clé. Cependant, les techniques d’imagerie traditionnelles ne permettent pas d’étudier les protéines qui composent les pili, appelées pilines, en raison de leur petite taille. Lovley a donc démontré leur importance en supprimant le gène associé à la formation de pili. Sans cela, Geobacteril ne pouvait pas transformer l’oxyde de fer en magnétite. De plus, il a découvert que les filaments qu’il avait récupérés des cellules conduisaient l’électricité.

L’équipe a déjà développé des applications utilisant des microbes conducteurs vivants, mais Lovley vise à développer les nanofils eux-mêmes pour construire des dispositifs électroniques respectueux de l’environnement. Il est co-auteur de deux articles récents sur les capteurs fabriqués à partir de nanofils de Geobacter : l’un, décrit dans la revue Nano Research , détecte l’ammoniac ; l’autre, détaillée dans Advanced Electronic Materials , est sensible aux changements d’humidité. En outre, un autre appareil, que son groupe a décrit dans Nature, utilise des nanofils pour extraire des électrons des molécules d’eau présentes dans l’air ; ainsi, l’électricité est générée à partir de l’humidité. « Il offre certains avantages par rapport à d’autres méthodes durables de production d’énergie, comme le solaire ou l’éolien, puisqu’il s’agit d’un processus continu qui fonctionne 24 heures sur 24. Et cela fonctionnera dans presque tous les environnements sur Terre », explique Lovley.

L’expert suggère que les nanofils pourraient remplacer les batteries comme source d’alimentation pour certains appareils. «Nous utilisons déjà des nanofils de protéines pour générer de l’énergie à petite échelle, comme dans les patchs de surveillance médicale», dit-il. Et il ajoute que ces filaments peuvent fonctionner dans les tissus vivants sans déclencher de réaction indésirable et qu’ils sont plus biodégradables que les métaux.

Lovley dit que plusieurs entreprises ont manifesté leur intérêt pour ce type d’application. Cependant, certains scientifiques sont sceptiques quant à l’efficacité de la séparation des nanofils des bactéries qui les produisent. « En dehors de leur contexte naturel, les protéines qui ont des propriétés électriques doivent concurrencer les matériaux synthétiques », explique Sarah Glaven, biologiste au US Naval Research Laboratory. Les nanofils « auraient du mal à surpasser un métal conducteur ». Glaven a collaboré avec Lovley dans le passé, mais n’est pas impliqué dans l’enquête en cours; elle se concentre sur la modification génétique des bactéries conductrices pour une application dans des instruments tels que des capteurs marins.

Le biologiste souligne que les nanofils auraient un avantage dans des environnements comme l’océan ou le corps humain, qui corrodent les composants électroniques traditionnels. Cependant, même dans ces conditions, les nanofils devraient encore concurrencer des matériaux tels que les polymères biocompatibles. Elle préfère travailler avec des microbes vivants car « ils offrent non seulement un matériau porteur d’électrons, mais aussi tout le système de traitement de l’information qui se trouve dans la cellule elle-même ».

Bien que des applications pour les cellules vivantes et les nanofils récoltés aient déjà commencé à être conçues – même l’ingénierie de la bactérie prolifique Escherichia coli pour fabriquer des pili a été explorée – des questions subsistent sur les protéines qui composent les nanofils les plus productifs. Comprendre quel type de filaments transporte la majeure partie de l’électricité aiderait les scientifiques à sélectionner le matériau le plus approprié pour construire des appareils électroniques.

« Tout le monde, y compris nous, pensait que les nanofils cruciaux étaient les pili », admet le biophysicien Nikhil Malvankar, qui a travaillé avec Lovley et dirige maintenant son propre laboratoire à l’université de Yale. Cependant, l’année dernière, Malvankar et ses collaborateurs ont obtenu des images de la bactérie Geobacter .avec un microscope électronique et, après les avoir analysés, est arrivé à la conclusion que la principale méthode de transmission de l’électricité chez les microbes n’est pas les pilines, qui sont comme des fils, mais plutôt des piles de protéines appelées cytochromes. Les chercheurs ont examiné un biofilm de la bactérie par des expériences de modification génétique, ainsi que diverses techniques d’imagerie ; Glaven dit qu’ils « ont tout fait » pour avoir une vue précise des nanofils utilisés par Geobacter. L’équipe de Yale a identifié un cytochrome conducteur hyper efficace, appelé OmcZ, que la bactérie produit en réponse à un champ électrique, comme principale méthode d’émission d’électrons du biofilm. « Il faut voir pour croire, donc je pense que les techniques microscopiques sont très importantes », déclare la physicienne de Yale Sibel Yalcin, co-auteur de l’article.

Cependant, les chercheurs ne sont toujours pas d’accord sur le nanofil essentiel. Certains optent pour le pili ; d’autres, par des cytochromes. Lovley est un ardent défenseur du premier : il affirme que lorsque son équipe (qui comprenait à l’époque Malvankar) a modifié génétiquement Geobacter pour l’empêcher de synthétiser un certain type de cytochrome, des biofilms se sont formés qui conduisaient mieux l’électricité que ceux produits par des bactéries non modifiées. . Glaven affirme que son propre laboratoire a découvert qu’une quantité « écrasante » d’électricité circule à travers les cytochromes dans un biofilm de Geobacter . Cependant, le biologiste souligne également qu’un autre laboratoire, celui-ci à l’Université d’État du Michigan, continue de soutenir l’hypothèse pili de Lovley.

Sur la base de ses recherches les plus récentes, Malvankar penche vers les cytochromes, mais n’a pas exclu que les pili jouent un rôle. « Tous les filaments que nous avons trouvés lorsque les bactéries conduisaient activement l’électricité étaient des cytochromes », explique-t-il. « Mais n’est-il pas possible que, dans certaines conditions, des pili se forment ? C’est une question qui n’est toujours pas résolue. »

Les avancées dans la détermination des protéines conductrices de Geobacter pourraient conduire les chercheurs à développer des systèmes électroniques vivants plus efficaces. Même sans une compréhension complète des mystères qui se cachent derrière les microbes conducteurs, les dispositifs à base de bactéries sont peut-être à portée de main. Il est encore tôt, admet Lovley, « mais jusqu’à présent, tout s’est bien passé. J’ai eu des collaborateurs incroyables qui savent tirer le meilleur parti des matériaux électroniques. Ils proposent de nouvelles idées tous les deux par trois ».

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