Une technologie plus efficace que la photosynthèse
Les chimistes ont créé un système hybride de bactéries et de nanofilsqui capture l'énergie de la lumière du soleil et la transfère aux bactéries pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en molécules organiques et en oxygène.
Sur Terre, un tel biohybride pourrait éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère.
Sur Mars, il fournirait aux colons des matières premières pour fabriquer des composés organiques allant des carburants aux médicaments. L'efficacité est supérieure à l'efficacité photosynthétique de la plupart des plantes.
Si les humains espèrent un jour coloniser Mars, les colons devront fabriquer sur la planète une vaste gamme de composés organiques, des carburants aux médicaments, qui sont trop chers pour être expédiés de la Terre.
Les chimistes de l'Université de Californie, de Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont un plan pour cela.
Au cours des huit dernières années, les chercheurs ont travaillé sur un système hybride combinant des bactéries et des nanofils qui peuvent capter l'énergie du soleil pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en blocs de construction pour les molécules organiques.
Les nanofils sont de minces fils de silicium d'environ un centième de la largeur d'un cheveu humain, utilisés comme composants électroniques, mais aussi comme capteurs et cellules solaires.
"Sur Mars, environ 96% de l'atmosphère est du CO 2. Fondamentalement, tout ce dont vous avez besoin est ces nanofils de semi-conducteur en silicium pour absorber l'énergie solaire et la transmettre pour faire la chimie pour vous", a déclaré le chef de projet Peidong Yang. , professeur de chimie et titulaire de la chaire distinguée SK et Angela Chan en énergie à UC Berkeley. "Pour une mission dans l'espace lointain, vous vous souciez du poids de la charge utile, et les systèmes biologiques ont l'avantage de s'auto-reproduire: vous n'avez pas besoin d'envoyer beaucoup. C'est pourquoi notre version biohybride est très attrayante."
La nanoscience et la lutte contre le réchauffement climatique
La seule autre exigence, outre la lumière du soleil, est l'eau, qui sur Mars est relativement abondante dans les calottes polaires et se trouve probablement gelée sous terre sur la majeure partie de la planète, a déclaré Yang, qui est chercheur principal à Berkeley Lab et directeur du Kavli. Institut des nanosciences de l'énergie.
Le biohybride peut également extraire le dioxyde de carbone de l'air sur Terre pour fabriquer des composés organiques et faire face simultanément au changement climatique, qui est causé par un excès de CO 2 produit par l'homme dans l'atmosphère.
Dans un article du 31 mars dans la revue Joule , les chercheurs rapportent une étape importante dans le conditionnement de ces bactéries ( Sporomusa ovata ) dans une "forêt de nanofils" pour atteindre une efficacité record: 3,6% de l'énergie solaire entrante est convertie et stocké dans des liaisons carbone, sous la forme d'une molécule à deux carbones appelée acétate: essentiellement de l'acide acétique, ou vinaigre.
Les molécules d'acétate peuvent servir de blocs de construction pour une gamme de molécules organiques, des carburants et des plastiques aux médicaments.
De nombreux autres produits biologiques pourraient être fabriqués à partir d'acétate à l'intérieur d'organismes génétiquement modifiés, tels que des bactéries ou des levures.
Le système fonctionne comme la photosynthèse, que les plantes utilisent naturellement pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en composés carbonés, principalement du sucre et des glucides. Cependant, les plantes ont une efficacité assez faible, convertissant généralement moins d'un demi pour cent de l'énergie solaire en composés de carbone. Le système de Yang est comparable à la plante qui convertit le mieux le CO 2 en sucre: la canne à sucre, qui est efficace de 4 à 5%.
Yang travaille également sur des systèmes pour produire efficacement des sucres et des glucides à partir de la lumière du soleil et du CO 2 , fournissant potentiellement de la nourriture aux colons de Mars.
Transformation du CO2 et de l'eau en acétate et oxygène
Surveillez le pH
Lorsque Yang et ses collègues ont fait la démonstration de leur réacteur hybride nanofils-bactéries pour la première fois il y a cinq ans, l'efficacité de conversion solaire n'était que d'environ 0,4% - comparable aux usines, mais toujours faible par rapport aux rendements typiques de 20% ou plus pour les panneaux solaires au silicium qui convertissent lumière à l'électricité. Yang a été l'un des premiers à transformer des nanofils en panneaux solaires, il y a une quinzaine d'années.
Les chercheurs ont d'abord essayé d'augmenter l'efficacité en emballant plus de bactéries sur les nanofils, qui transfèrent les électrons directement aux bactéries pour la réaction chimique. Mais les bactéries se sont séparées des nanofils, rompant le circuit.
Les chercheurs ont finalement découvert que les insectes, en produisant de l'acétate, diminuaient l'acidité de l'eau environnante - c'est-à-dire augmentaient une mesure appelée pH - et les faisaient se détacher des nanofils. Lui et ses élèves ont finalement trouvé un moyen de garder l'eau légèrement plus acide pour contrer l'effet de l'augmentation du pH résultant de la production continue d'acétate. Cela leur a permis d'emballer beaucoup plus de bactéries dans la forêt de nanofils, augmentant l'efficacité presque d'un facteur 10. Ils ont pu faire fonctionner le réacteur, une forêt de nanofils parallèles, pendant une semaine sans que les bactéries ne se décollent.
Dans cette expérience particulière, les nanofils ont été utilisés uniquement comme fils conducteurs, pas comme absorbeurs solaires. Un panneau solaire externe a fourni l'énergie.
Dans un système réel, cependant, les nanofils absorbent la lumière, génèrent des électrons et les transportent vers les bactéries glommées sur les nanofils. Les bactéries absorbent les électrons et, comme la façon dont les plantes fabriquent les sucres, convertissent deux molécules de dioxyde de carbone et l'eau en acétate et oxygène.
"Ces nanofils de silicium sont essentiellement comme une antenne: ils captent le photon solaire comme un panneau solaire", a déclaré Yang. "Au sein de ces nanofils de silicium, ils généreront des électrons et les transmettront à ces bactéries. Ensuite, les bactéries absorbent le CO 2 , font la chimie et crachent de l'acétate."
L'oxygène est un avantage secondaire et, sur Mars, pourrait reconstituer l'atmosphère artificielle des colons, qui imiterait l'environnement de 21% d'oxygène de la Terre.
Yang a peaufiné le système par d'autres moyens - par exemple, pour intégrer des points quantiques dans la propre membrane de la bactérie qui agissent comme des panneaux solaires, absorbant la lumière du soleil et évitant le besoin de nanofils de silicium. Ces bactéries cyborg produisent également de l'acide acétique.
Son laboratoire continue de chercher des moyens d'améliorer l'efficacité des biohybrides, et explore également des techniques d'ingénierie génétique des bactéries pour les rendre plus polyvalentes et capables de produire une variété de composés organiques.
La recherche est soutenue par une subvention de la NASA au Center for the Use of Biological Engineering in Space (CUBES), un effort multi-universitaire pour développer des techniques de bioproduction dans l'espace.
