Par l’Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections – Institut Hans Knoell
20 juin 2023
Des chercheurs de l’Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections ont fait une percée dans la compréhension de l’électrosynthèse microbienne (MES), révélant que les bactéries utilisent les électrons de l’hydrogène, plutôt que de les absorber directement à partir du courant électrique fourni.
Sommaire
Comment les bactéries utilisent le dioxyde de carbone et l’électricité pour produire des substances chimiques utiles
Dans le domaine de l’électrosynthèse microbienne, les microbes utilisent le CO2 et l’électricité pour produire des substances telles que l’alcool. Les mécanismes biologiques précis qui sous-tendent ce processus étaient, jusqu’à récemment, largement théoriques. Aujourd’hui, des scientifiques de l’Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections (Leibniz-HKI) ont réussi à vérifier expérimentalement pour la première fois que ces bactéries utilisent des électrons dérivés de l’hydrogène et sont capables de produire un spectre plus large de composés chimiques que ce que l’on pensait au départ.
Considérée comme une solution viable pour atténuer les effets du changement climatique et soutenir la transition vers les énergies renouvelables, l’électrosynthèse microbienne a le potentiel de lier le dioxyde de carbone, de produire de l’éthanol et d’autres composés organiques qui peuvent être utilisés comme carburant et, par conséquent, de stocker l’électricité excédentaire. Bien qu’elle existe depuis plus de dix ans, cette technologie n’a pas encore fait de progrès significatifs vers la commercialisation.
Selon Miriam Rosenbaum, directrice de l’usine pilote biologique de Leibniz-HKI, cette situation est principalement due au fait que « la biologie qui sous-tend le processus a jusqu’à présent été considérée comme une sorte de boîte noire ». La biochimiste, titulaire de la chaire de biotechnologie synthétique à l’université Friedrich Schiller d’Iéna, s’intéresse depuis longtemps à la question de savoir ce qui se passe exactement lors de l’électrosynthèse microbienne (MES).
Dans de petits bioréacteurs, les chercheurs peuvent contrôler avec précision les conditions de l’électrosynthèse microbienne. Crédit : Ronja Münch/Leibniz-HKI
L’équipe de Ronja Münch vient de réaliser une percée dans ce domaine : Les chercheurs ont pu montrer que les bactéries n’absorbent pas directement les électrons fournis par le courant électrique, mais qu’elles utilisent l’hydrogène pour transférer les électrons. On soupçonnait depuis longtemps cette possibilité, mais jusqu’à présent, personne n’en avait apporté la preuve expérimentale. Ils ont également constaté que la méthode pouvait produire encore plus de produits chimiques utiles que ce que l’on pensait auparavant et ont optimisé le processus pour obtenir les rendements les plus élevés possibles.
Conditions contrôlées
Dans les MES, de l’électricité est appliquée à une solution nutritive aqueuse contenant des micro-organismes, et du dioxyde de carbone est ajouté en même temps. Les micro-organismes utilisent l’électricité et le carbone pour produire des composés organiques tels que l’éthanol ou l’acétate. Pour ce faire, ils utilisent les électrons fournis, mais la manière dont ils le font n’était pas claire jusqu’à présent.
« Une étude a supposé que les microbes utilisaient directement les électrons », explique Rosenbaum. Cependant, cette hypothèse n’a pas été prouvée. Rosenbaum pense qu’il est plus probable que les microbes utilisent de l’hydrogène pour leur biosynthèse. En effet, lorsque de l’électricité et du dioxyde de carbone sont appliqués, il se produit la même chose que lors d’une électrolyse classique : L’eau est divisée en hydrogène et en oxygène.
Image au microscope électronique de la bactérie Clostridium ljungdahlii. Crédit : Sara Al Sbei/Leibniz-HKI et Martin Westermann/ EMZ Jena
« Jusqu’à présent, personne n’avait vraiment mesuré l’hydrogène directement dans le système », explique Santiago Boto, auteur principal de l’étude. Il a donc installé le réacteur MES de manière à pouvoir contrôler précisément tous les paramètres. Pour ce faire, il utilise une culture pure de la bactérie Clostridium ljungdahlii à différentes concentrations. En outre, il peut contrôler le flux de courant électrique et mesurer l’hydrogène produit à l’électrode et l’hydrogène s’échappant du liquide à l’aide de microcapteurs.
« Grâce à notre conception, nous avons pu rassembler plusieurs preuves que les bactéries utilisaient de l’hydrogène », a déclaré M. Boto. Lorsque la concentration de bactéries dans le milieu nutritif était telle qu’elles formaient un biofilm sur la cathode et qu’une faible quantité d’hydrogène était mesurable dans l’environnement de l’électrode, l’activité des bactéries était considérablement réduite. Ce phénomène s’est également produit lorsque la tension n’était pas suffisamment élevée pour permettre l’électrolyse. Ce n’est que lorsque les bactéries planctoniques – c’est-à-dire nageant librement – disposaient d’hydrogène à partir de l’électrode qu’elles présentaient une activité élevée.
De nouvelles voies de biosynthèse découvertes
De cette manière, l’équipe de recherche a pu optimiser la tension et la concentration bactérienne pour obtenir les rendements en acétate les plus élevés possibles. « Nous avons obtenu les valeurs d’acétate les plus élevées à ce jour pour une culture pure de bactéries », a déclaré M. Boto. Il a également constaté la formation de composés aminés que les bactéries ne produisent pas normalement. En collaboration avec Falk Harnisch du Centre de recherche environnementale de Leipzig, les travaux ont également montré que des réactions entre le milieu nutritif et la cathode, qui n’avaient pas été décrites auparavant, se produisent, accélérant apparemment le processus de synthèse.
Représentation schématique du dispositif expérimental : La culture bactérienne se développe dans l’un des conteneurs, l’électricité et le CO2 sont fournis. Un deuxième récipient est utilisé pour la contre-réaction électrochimique ; de l’oxygène y est produit. Crédit : Santiago Boto/Leibniz-HKI
L’équipe souhaite à présent optimiser davantage les processus et explorer plus spécifiquement les résultats obtenus précédemment. « Les composés aminés sont très intéressants pour l’industrie chimique, et les bactéries que nous avons utilisées sont déjà utilisées dans l’industrie. Il se peut donc que nous ayons découvert une nouvelle méthode de production pour ces produits chimiques », a déclaré M. Boto. Dans l’ensemble, les résultats devraient contribuer à rendre le SEM commercialement viable. « Je m’attends à ce que cette technologie connaisse un fort essor dans les années à venir, lorsque nous aurons enfin mis l’accent sur la biologie », a déclaré M. Rosenbaum. Le Bio Pilot Plant collabore à ce projet et s’associe à des ingénieurs en procédés pour développer des réacteurs plus grands pour les MES.
Référence : « Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products » par Santiago T. Boto, Bettina Bardl, Falk Harnisch et Miriam A. Rosenbaum, 17 mai 2023, Green Chemistry.
DOI : 10.1039/D3GC00471F
L’étude a été soutenue par la Fondation allemande de la recherche dans le cadre du programme prioritaire eBiotech.