Pour les bactéries sans bouche et sans poumons, la respiration est un peu plus compliquée que pour les humains. Nous inhalons de l’oxygène et expirons du dioxyde de carbone; Geobacter – un genre de bactéries omniprésent dans les eaux souterraines – engloutit les déchets organiques et «expire» des électrons, générant un minuscule courant électrique dans le processus.
Ces électrons de déchets ont toujours besoin d’un endroit où aller (généralement dans un minéral souterrain abondant comme l’oxyde de fer), et Geobacter ont un outil non conventionnel pour s’assurer qu’ils y parviennent.
« Geobacter respirez à travers ce qui est essentiellement un tuba géant, des centaines de fois leur taille », a déclaré Nikhil Malvankar, professeur adjoint à l’Institut des sciences microbiennes de l’Université de Yale dans le Connecticut, à 45secondes.fr.
Ce « tuba » s’appelle un nanofil. Bien que ces minuscules filaments conducteurs soient 100000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain, ils sont capables de transporter des électrons des centaines à des milliers de fois la longueur d’un individu. Geobacter le corps du microbe. Grâce à cette adaptation, Geobacter sont parmi les respirateurs les plus impressionnants au monde. (« Vous ne pouvez pas expirer 1000 pieds [300 meters] en face de vous, pouvez-vous? »dit Malvankar).
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À tout moment, des milliards de bactéries bourdonnent d’électricité sous le fond marin. Maintenant, dans une nouvelle étude publiée le 17 août dans la revue Nature Chemical Biology, Malvankar et ses collègues ont découvert comment combiner cette énergie dans un puissant réseau électrique microbien.
En utilisant des techniques de microscopie avancées, les chercheurs ont découvert la «molécule secrète» qui permet Geobacter pour respirer sur des distances extrêmement longues jusqu’alors invisibles chez les bactéries. L’équipe a également constaté qu’en stimulant les colonies de Geobacter avec un champ électrique, les microbes conduisent l’électricité 1 000 fois plus efficacement qu’ils ne le font dans leur environnement naturel.
Comprendre ces adaptations électriques innées pourrait être une étape cruciale dans la transformation Geobacter colonies en batteries vivantes et respirantes, selon les chercheurs.
« Nous croyons cela [discovery] pourrait être utilisé pour fabriquer des composants électroniques à partir des bactéries sous vos pieds », a déclaré Malvankar.
Un microbe très choquant
À la maison profondément sous terre dans un sol détrempé et pauvre en oxygène, Geobacter peuvent survivre dans des environnements difficiles que peu d’autres microbes peuvent, selon les auteurs de l’étude. Les nanofils, qui leur permettent de respirer en l’absence d’oxygène, sont cruciaux pour garder Geobacter microbes vivants dans le sol, où les accepteurs d’électrons comme l’oxyde de fer sont rarement à plus de quelques millionièmes de mètre. cependant, Geobacter les colonies cultivées en laboratoire n’ont pas toujours le luxe de vivre à proximité de minéraux abondants.
Dans des recherches antérieures, Malvankar et ses collègues ont découvert que Geobacter sulfurreducens les microbes présentent une autre astuce de survie intelligente lorsqu’ils sont exposés à une petite électrode ou à un disque qui conduit l’électricité. Stimulés par le champ électrique, les microbes s’assemblent en biofilms denses – des piles interconnectées de centaines de microbes individuels, déplaçant les électrons à travers un seul réseau partagé.
« Ils s’empilent comme des appartements de grande hauteur, hauts de centaines d’étages », a déclaré Malvankar. « Et ils peuvent tous partager le même réseau électrique, déversant constamment des électrons. »
La grande question qui a dérangé Malvankar et ses collègues est de savoir comment les microbes du «100e étage du gratte-ciel», comme il l’a dit, sont capables de projeter des électrons jusqu’au bas de la pile, puis à travers un nanofil. – expirant efficacement des électrons sur une distance des milliers de fois la longueur du corps du microbe d’origine. De telles distances sont «auparavant invisibles» dans la respiration microbienne, a déclaré Malvankar, et soulignent à quel point Geobacter sont quand il s’agit de survivre à des environnements difficiles.
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Pour découvrir les secrets du nanofil, les auteurs de la nouvelle étude ont analysé des cultures de Geobacter utilisant deux techniques de microscopie de pointe. La première, appelée microscopie à force atomique à haute résolution, a recueilli des informations détaillées sur la structure des nanofils en touchant leur surface avec une sonde mécanique extrêmement sensible.
« C’est un peu comme lire du Braille, mais les bosses sont d’un milliardième de mètre », a déclaré l’auteur principal de l’étude Sibel Ebru Yalcin, chercheur à l’Institut des sciences microbiennes de Yale, à 45secondes.fr.
Grâce à la deuxième technique, appelée nanospectroscopie infrarouge, les chercheurs ont identifié des molécules spécifiques dans les nanofils en fonction de la façon dont elles diffusaient la lumière infrarouge entrante. Avec ces deux méthodes, les chercheurs ont vu «l’empreinte digitale unique» de chaque acide aminé dans les protéines qui composent Geobacter signature de nanofils, a déclaré Yalcin.
L’équipe a constaté que, lorsqu’il est stimulé par un champ électrique, Geobacter produire un type de nanofil jusqu’alors inconnu constitué d’une protéine appelée OmcZ. Constituée de minuscules blocs de construction métalliques appelés hèmes, cette protéine a créé des nanofils qui conduisaient l’électricité 1000 fois plus efficacement que les nanofils typiques. Geobacter créer dans le sol, permettant aux microbes d’envoyer des électrons sur des distances sans précédent.
« On savait que les bactéries pouvaient produire de l’électricité, mais personne ne connaissait la structure moléculaire », a déclaré Malvankar. « Enfin, nous avons trouvé cette molécule. »
Des batteries vivantes et respirantes
Les chercheurs utilisent Geobacter colonies pour alimenter de petits appareils électroniques pendant plus d’une décennie. Un gros avantage de ces soi-disant piles à combustible microbiennes est leur longévité. Les bactéries peuvent se réparer et se reproduire presque indéfiniment, créant une charge électrique faible mais constante; dans une expérience de l’US Navy, menée en 2008, les chercheurs ont utilisé un Geobacter pile à combustible pour alimenter une petite bouée météorologique dans la rivière Potomac à Washington, DC pendant plus de neuf mois sans montrer aucun signe d’affaiblissement. Cependant, la charge fournie par ces piles à combustible est extrêmement faible (la bouée Navy fonctionnait à environ 36 milliwatts, ou millièmes de watt, de puissance), ce qui limite considérablement les types d’électronique qu’elles peuvent alimenter.
Grâce à cette nouvelle recherche, les scientifiques savent maintenant comment manipuler les nanofils microbiens pour les rendre plus forts et plus conducteurs. Cette information pourrait rendre la production de bioélectronique à la fois moins chère et plus facile, a déclaré Malvankar, inaugurant, espérons-le, une nouvelle génération de batteries respectueuses de l’environnement et alimentées par des bactéries.
Nous sommes encore loin de recharger nos iPhones avec une poignée de Geobacter, a-t-il ajouté, mais la puissance de la grille électrique microscopique sous nos pieds est devenue un peu plus facile à saisir.
Publié à l’origine sur 45secondes.fr.
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