Les bactéries qui absorbent les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) continuent de se diviser normalement et transmettent même les capacités supplémentaires qui en résultent à leurs descendants. Ce résultat, récemment démontré par des chercheurs de l'EPFL en Suisse, est à la base d'un nouveau domaine qu'ils appellent « la nanobionique héritée ». Les chercheurs pensent que la bactérie modifiée pourrait être utilisée pour fabriquer du photovoltaïque vivant - des dispositifs de production d'énergie qui, selon eux, pourraient fournir "une véritable solution à notre crise énergétique actuelle et aux efforts contre le changement climatique".
Les SWCNT sont des feuilles de carbone enroulées d'un seul atome d'épaisseur, d'un diamètre total d'environ 1 nm. Ils présentent d'excellentes propriétés électriques, optiques et mécaniques qui les rendent idéaux pour de nombreuses applications dans le domaine de la nanobiotechnologie. Les chercheurs ont, par exemple, placé ces nanostructures dans des cellules de mammifères pour surveiller le métabolisme à l'aide de la lumière proche infrarouge émise par les nanotubes. La lumière émise peut également être utilisée pour imager des tissus biologiques profondément à l'intérieur du corps et aider à administrer des médicaments thérapeutiques dans les cellules. Dans les cellules végétales, les SWCNT ont même été utilisés pour modifier les génomes.
L'absorption des SWCNT est passive, dépendante de la longueur et sélective
Dans le nouveau travail, des chercheurs dirigés par Ardémis Boghossian a commencé par envelopper les SWCNT d'un revêtement protéique chargé positivement. Les nanostructures ont ensuite pu interagir avec les membranes externes chargées négativement entourant les cellules bactériennes qu'elles ont étudiées, qui proviennent du genre Synéchocyste ainsi que Nostos. Le premier est unicellulaire et sphérique tandis que le second est multicellulaire et a la forme d'un serpent. Les deux sont des bactéries Gram-négatives (appelées ainsi parce qu'elles ont une paroi cellulaire mince ainsi qu'une membrane externe supplémentaire, ce qui signifie qu'elles ne retiennent pas le colorant utilisé dans un test commun connu sous le nom de coloration de Gram), et elles appartiennent à la Cyanobactéries phylum. Ce groupe de bactéries tire son énergie de la photosynthèse, comme les plantes.
Boghossian et ses collègues ont constaté que les deux Synéchocyste ainsi que Nostos ont absorbé les SWCNT par un processus passif, dépendant de la longueur et sélectif qui permet aux nanoparticules de pénétrer spontanément dans les parois cellulaires des micro-organismes. Ils ont également découvert que les nanotubes pouvaient être imagés très clairement dans l'infrarouge car ils émettent une fluorescence dans cette région du spectre électromagnétique. En effet, cette émission de lumière a permis aux chercheurs de voir que les SWCNT étaient transmis aux cellules dites filles des bactéries lors de leur division. Les cellules filles héritent ainsi des propriétés exceptionnelles des nanotubes.
Comme un membre artificiel
« Nous appelons cela la « nanobionique héritée », explique Boghossian. « C'est comme avoir un membre artificiel qui vous donne des capacités au-delà de ce que vous pouvez réaliser naturellement. Et maintenant, imaginez que vos enfants puissent hériter de vous ses propriétés à leur naissance. Non seulement nous avons transmis aux bactéries ce comportement artificiel, mais ce comportement est également hérité par leurs descendants.
Et ce n'est pas tout : les chercheurs ont également découvert que les bactéries contenant des nanotubes produisent une quantité d'électricité nettement plus importante lorsqu'elles sont éclairées par la lumière que les bactéries sans nanotubes. "Ces" photovoltaïques vivants "bénéficient d'une empreinte carbone négative - ils absorbent activement, plutôt que de libérer, du dioxyde de carbone", explique Boghossian. Monde de la physique. "Cela contraste avec le photovoltaïque conventionnel, qui, tout en tirant parti de notre source d'énergie la plus abondante - le soleil - génère beaucoup de dioxyde de carbone pendant la phase de fabrication." C'est le "sale secret" du photovoltaïque, dit-elle.
Le photovoltaïque vivant présente également d'autres avantages importants : il dispose de mécanismes automatisés pour optimiser l'absorption de la lumière ; peut s'auto-réparer; et surtout, peut se reproduire, ajoute-t-elle. « Vous n'avez pas à vous soucier de construire une usine pour fabriquer chaque cellule individuelle. Ces cellules utilisent le dioxyde de carbone qu'elles absorbent pour se réparer automatiquement et se valoriser davantage. Ils reposent sur des matériaux abondants en terre et ils sont bon marché. C'est un rêve de la science des matériaux.
Les domaines d'application
Le travail, qui est détaillé dans Natural Nanotechnology, met en évidence les applications axées sur la collecte de lumière ainsi que sur l'imagerie par fluorescence. "L'imagerie, par exemple, nous permet non seulement de suivre les cellules à travers les générations, mais nous sommes également en mesure d'utiliser cette technologie pour différencier les cellules vivantes des cellules non vivantes, et différents types de cellules." dit Boghossian.
Les "tambours" en graphène captent les vibrations des bactéries individuelles
Les chercheurs ont même pu suivre la formation de différentes parties des membranes bactériennes après la division cellulaire grâce à la lumière émise par les nanotubes et suivre les changements physico-chimiques à l'intérieur des cellules. "Ce qui est spécial dans cette application, c'est que la lumière émise est distincte de la lumière émise naturellement par les cellules, nous n'avons donc pas à nous soucier des signaux parasites qui ont limité d'autres technologies de ce type", explique Boghossian.
Pouvoir introduire des NTC dans des bactéries de cette manière pourrait également conduire à de nouvelles applications en thérapeutique ou en délivrance d'ADN qui étaient auparavant entravées par les parois cellulaires bactériennes difficiles à pénétrer.
L'équipe de l'EPFL étudie actuellement les moyens de reprogrammer leurs cellules bactériennes pour produire de l'électricité en modifiant leur ADN. "Les organismes collecteurs de lumière ne sont naturellement pas très efficaces pour produire de l'électricité", explique Boghossian. "C'est parce qu'ils ont été conçus par la nature pour la survie, pas pour le photovoltaïque. Avec l'expansion récente de la biologie synthétique, nous sommes maintenant en mesure de réaffecter ces cellules afin qu'elles soient génétiquement enclines à produire de l'électricité.
