Harry Cohen Tanugi

Des scientifiques créent de l'électronique à partir de nanofils naturels

Le site étude, publiée dans le journal Nature CommunicationsL'article est publié par des chercheurs de l'université de Yale. Afin d'approfondir les détails de l'étude et les implications de la découverte, Interesting Engineering s'est entretenu avec l'auteur principal de l'article, Nikhil Malvankar, professeur associé de biophysique moléculaire et de biochimie à l'Institut des sciences microbiennes de Yale, où il dirige l'équipe de recherche sur les maladies infectieuses. Malvankar Protein Nanowire Lab.

Comment fonctionnent les nanofils ?

Essentiellement, tous les êtres vivants ont besoin d'oxygène pour expulser les électrons excédentaires au cours du processus de conversion des nutriments en énergie. Mais que se passe-t-il si l'oxygène n'est pas accessible, par exemple dans le sol ou au fond d'un océan ? Il s'avère que certaines bactéries se sont adaptées à ce dilemme en "respirant des minéraux" grâce à de très petits filaments de protéines ou "nanofils".

De plus, les scientifiques ont découvert une bactérie particulière qui peut être manipulée pour produire ces nanofils à l'échelle industrielle. Comme l'a déclaré le professeur Malvankar, ils ont découvert qu'une "bactérie appelée Geobacter ont évolué au cours de milliards d'années pour s'interfacer électroniquement avec le monde extérieur" en utilisant des nanofils composés de chaînes de molécules "hèmes", comme celles qui transportent l'oxygène dans notre sang. Mais à la place, les hèmes de la Geobacter transfèrent l'électricité. Les chaînes d'hèmes de quelques micromètres de long fournissent un chemin continu pour les électrons.

Lorsqu'on ajoute de la lumière à la bactérie, "on obtient en fait presque 100 fois plus d'électricité", a révélé Malvankar.

L'ingrédient secret

Comment la Geobacter s'y prend-elle ? Comme Geobacter est une bactérie très commune, que l'on trouve dans le sol sous nos pieds, Malvankar pense qu'elle fournit la solution à ce qu'il considère comme le principal problème de goulot d'étranglement à résoudre pour eux - "comment pouvons-nous connecter les systèmes vivants avec l'électronique efficacement à grande échelle ?"

La clé réside dans la découverte d'une protéine contenant du métal, le cytochrome OmcS, qui agit comme un photoconducteur naturel. C'était leur principale découverte, selon Malvankar. C'est le métal qui confère aux nanofils bactériens une conductivité électronique élevée.

"Ils ressemblent à un vrai fil. La molécule d'hème est comme un fil et la protéine est comme une isolation autour du fil", a expliqué le scientifique, en comparant cela à l'isolation de nos chargeurs de téléphone.

Pourquoi certaines bactéries ont-elles besoin de nanofils ?

La réponse, selon Malvankar, se trouve dans la citation "La vie n'est rien d'autre qu'un électron cherchant un endroit où se reposer" de Albert Szent-Györgyibiochimiste, qui a découvert le cycle du métabolisme de l'oxygène et a reçu le prix Nobel 1937 de "physiologie ou médecine".

Culture nanofils permet aux bactéries de survivre sans la présence d'oxygène. Les bactéries utilisent les fils pour envoyer des électrons, ce qui leur permet d'accéder à une zone beaucoup plus grande. La lumière accélère la respiration des bactéries grâce au transfert rapide des électrons entre les nanofils.

"Ce qui m'enthousiasme dans ce travail, c'est qu'il élargit la portée de la distance que peuvent parcourir les électrons dans un système vivant", a partagé M. Malvankar, ajoutant que "typiquement, chez les humains, un électron ne peut dépasser un nanomètre, ou un milliardième de mètre, parce que les protéines ne sont pas très douées pour déplacer les électrons sur de très longues distances. Alors qu'ici, les électrons peuvent aller sur des centaines de micromètres". Cela le rend presque plusieurs millions de fois plus long, tout cela grâce au réseau de nanofils.

Comment les nanofils sont produits

Malvankar a indiqué qu'ils peuvent désormais produire cette "électronique vivante" multifonctionnelle à un rythme beaucoup plus rapide et à moindre coût.

L'un des grands avantages du matériau utilisé dans les fils est qu'il combine des propriétés utiles - il est autoréparable, flexible, biodégradable et non toxique. Malvankar l'a comparé au silicium, qui fonctionne bien dans certaines conditions, alors que les nanofils sont encore plus flexibles. Ils peuvent fonctionner dans un certain nombre d'environnements différents et extrêmes - à des températures élevées ou extrêmement basses, ou dans des situations de faible acidité - tout en restant très stables et robustes.

En ce qui concerne la production, les nanofils peuvent désormais être cultivés en laboratoire et conserveront leurs propriétés même s'ils ne sont pas vivants.

Les scientifiques peuvent utiliser les bactéries pour faire pousser les fils, puis les mettre "dans un mixeur", se débarrasser des bactéries et ne laisser que les "filaments purifiés - les fils qui sont alors suffisamment stables pour être utilisés".

Quelles sont les applications potentielles de ces nanofils ?

M. Malvankar voit un certain nombre d'applications passionnantes possibles pour les biomatériaux qu'ils développent, qui seraient moins chers, plus rapides et plus précis que les autres technologies actuelles de ce type.

Les nanofils pourraient être très utiles pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre, qui provoquent la hausse des températures et le réchauffement de la planète. Au fur et à mesure de leur développement, les domaine de l'électrogénétique (qui utilise l'électrostimulation pour contrôler les processus biologiques), les chercheurs cherchent à comprendre comment activer le réseau électrique du fond de l'océan pour empêcher le méthane d'être libéré dans l'atmosphère.

Comme l'explique Malvankar, ils espèrent placer "des électrodes dans l'océan ou le sol, et ces électrodes seront utilisées pour induire ces connexions électriques entre les bactéries. Et cela pourrait être un moyen d'arrêter localement la libération de méthane dans l'environnement, ou localement, vous savez, de nettoyer l'environnement des contaminants toxiques. Donc, s'il y a une marée noire, cette bactérie peut manger le pétrole. Nous pouvons donc accélérer ce processus localement en insérant ces électrodes."

Les nanofils pourraient également constituer un outil révolutionnaire pour le séquençage de l'ADN, l'informatique, la récolte de la lumière ou la surveillance de la santé grâce à la création d'une nouvelle génération de capteurs corporels auto-alimentés qui mesurent le taux de glucose ou d'oxygène.

Une autre application de ces fils provient du fait qu'"ils présentent des propriétés qu'aucune autre protéine n'a présentées auparavant", selon le scientifique. Les fils sur lesquels travaille son laboratoire sont très adaptables et se comportent particulièrement bien à très basse température. Lorsque les scientifiques les ont refroidis, le transfert d'électrons s'est accéléré d'environ 300 fois. Ces fils pourraient être utilisés pour des capteurs à basse température ou d'autres appareils électroniques qui doivent fonctionner dans des conditions extrêmes.

L'une de ces conditions extrêmes pourrait être l'espace - l'exploration de Mars, en particulier. Selon Malvankar, il pourrait être possible d'utiliser leurs méthodes pour inciter les nanofils bactériens à produire des produits chimiques, des biocarburants ou des nutriments spécifiques nécessaires à la colonisation de Mars. Il se peut également que Mars, dont le sol est particulièrement riche en fer, possède déjà de telles bactéries à sa surface. En utilisant leurs techniques pour l'activer, les scientifiques pourraient être en mesure "d'imiter fondamentalement la façon dont nous avons fait évoluer la vie sur Terre", a proposé Malvankar.

Résumé de l'étude :

Le transfert d'électrons microbien induit par la lumière présente un potentiel pour la production efficace de produits chimiques à valeur ajoutée, de biocarburants et de matériaux biodégradables, en raison de la diversité des voies métaboliques. Cependant, la plupart des microbes sont dépourvus de protéines photoactives et ont besoin de photosensibilisateurs synthétiques qui souffrent de photocorrosion, de photodégradation, de cytotoxicité et de génération de radicaux photoexcités nocifs pour les cellules, ce qui limite fortement les performances catalytiques. Par conséquent, il existe un besoin urgent de matériaux photoconducteurs biocompatibles pour une interface électronique efficace entre les microbes et les électrodes. Nous montrons ici que les biofilms vivants de Geobacter sulfurreducens utilisent des nanofils de cytochrome OmcS comme photoconducteurs intrinsèques. La microscopie à force atomique photoconductrice montre une augmentation jusqu'à 100 fois du photocourant dans les nanofils individuels purifiés. Les photocourants répondent rapidement (<100 ms) à l'excitation et persistent de manière réversible pendant des heures. La spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde et les simulations de dynamique quantique révèlent un transfert d'électrons ultrarapide (~200 fs) entre les hèmes des nanofils lors de la photoexcitation, ce qui améliore la densité et la mobilité des porteurs. Notre travail révèle une nouvelle classe de photoconducteurs naturels pour la catalyse de cellules entières.

[SOURCE]

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