Les scientifiques électrisent la biologie en convertissant le courant en combustible chimique des cellules

Les scientifiques électrisent la biologie en convertissant le courant en combustible chimique des cellules

Horodatage: 31 août 2023 10:46

Les cellules de tous les organismes vivants sont alimentées par le même carburant chimique : l'adénosine triphosphate (ATP). Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé un moyen de générer de l’ATP directement à partir de l’électricité, ce qui pourrait dynamiser les processus biotechnologiques qui produisent tout, des aliments aux carburants en passant par les produits pharmaceutiques.

Il est notoirement difficile de relier la technologie électronique moderne à la biologie. L’une des principales pierres d’achoppement est que la manière dont ils sont alimentés est très différente. Alors que la plupart de nos gadgets fonctionnent grâce aux électrons, la nature dépend de l’énergie libérée lorsque les liaisons chimiques de l’ATP sont rompues. Trouver des moyens de convertir entre ces deux monnaies énergétiques très différentes pourrait être utile pour une multitude de biotechnologies.

Les microbes génétiquement modifiés sont déjà utilisés pour produire divers produits chimiques de grande valeur et des protéines thérapeutiquement utiles, et on espère qu'ils pourraient bientôt contribuer à générer des produits plus verts. carburéacteur, décomposez les déchets plastiques et cultivez même de nouveaux aliments dans des bioréacteurs géants. Mais à l’heure actuelle, ces processus sont alimentés par un processus inefficace de croissance de la biomasse, de conversion en sucre et de transmission aux microbes.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre en Allemagne ont mis au point un moyen beaucoup plus direct d'alimenter les processus biologiques. Ils ont créé une voie métabolique artificielle capable de convertir directement l’électricité en ATP à l’aide d’un cocktail d’enzymes. Et surtout, le processus fonctionne in vitro et ne repose pas sur la machinerie native des cellules.

"Injecter de l'électricité directement dans les réactions chimiques et biochimiques est une véritable avancée », Tobias Erb, qui a dirigé la recherche, a déclaré dans un communiqué de presse. «Cela permettra la synthèse de ressources précieuses et riches en énergie, telles que l'amidon, les biocarburants ou les protéines, à partir de simples éléments constitutifs cellulaires, voire à l'avenir à partir du dioxyde de carbone.» Il pourrait même être possible d’utiliser des molécules biologiques pour stocker de l’énergie électrique.

Dans la nature, l’ATP et sa molécule sœur, l’adénosine diphosphate (ADP), peuvent être considérées comme des piles. L'ATP est comme une batterie chargée, stockant de l'énergie dans ses liaisons chimiques. Si une cellule a besoin de dépenser cette énergie, elle en interrompt une of les trois groupes phosphate de la molécule et l'énergie liée à cette liaison chimique peuvent alors alimenter certains processus cellulaires.

Ce processus convertit la molécule d'ATP en ADP, qui peut être considérée comme une batterie vide. Pour la recharger, la cellule doit utiliser l’énergie provenant de la nourriture ou de la photosynthèse pour rajouter un groupe phosphate sur la molécule d’ADP, la transformant ainsi en ATP.

Mais ce processus de recharge repose sur une séquence complexe de réactions impliquant divers complexes protéiques intégrés dans la membrane cellulaire. La réingénierie de ce système pour qu'il fonctionne à l'extérieur d'une cellule est un défi car elle nécessite que les différentes protéines soient soigneusement orientées dans une membrane artificielle, ce qui la rend à la fois capricieuse et fragile.

La nouvelle approche, décrite dans un papier dans Joule, est beaucoup plus simple. Surnommé « cycle AAA », il implique seulement quatre enzymes interagissant dans une solution. L’ingrédient clé qui a rendu tout cela possible a été la découverte d’une enzyme appelée aldéhyde ferrédoxine oxydoréductase (AOR) dans une bactérie récemment découverte appelée Aromaticum aromatoleum, qui est capable de décomposer le pétrole.

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Crédit d'image : MPI f. Microbiologie terrestre/ Erb

Cette enzyme est capable de prélever les électrons d’une électrode et de lier leur énergie dans une liaison aldéhyde qui est ajoutée à un précurseur chimique appelé propionate. Ceci est ensuite transmis en cascade à trois autres enzymes qui agissent sur le produit chimique et utilisent finalement l'énergie qui y est stockée pour convertir l'ADP en ATP. À la fin, une molécule de propionate apparaît qui peut ensuite être réinjectée dans le cycle.

"Le simple cycle AAA est une approche intelligente et élégante… qui est beaucoup plus simple que la façon dont la biologie produit naturellement l'ATP », Drew Endy, biologiste synthétique à l'Université de Stanford, dit Sciences. Il a ajouté que cela pourrait être un facteur clé pour rendre possible « l’électrobiosynthèse », l’idée d’utiliser l’électricité pour alimenter directement la synthèse de produits chimiques utiles par les cellules.

Les chercheurs affirment que le processus nécessite encore du travail, car les enzymes sont instables et ne peuvent convertir qu’une petite quantité d’énergie. Mais si l’idée peut être affinée et étendue, elle pourrait rendre possible l’exploitation de toutes sortes de processus biotechnologiques puissants utilisant des énergies renouvelables, les rendant non seulement plus écologiques, mais aussi étendant considérablement leur potentiel.ingurgiter la quantité d’énergie qu’ils peuvent exploiter.

Crédit image: Gunther / Pixabay

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