De meilleures piles à combustible utilisant des bactéries

Et si vous pouviez alimenter votre maison avec les eaux usées ? Ou faire fonctionner votre stimulateur cardiaque avec de la glycémie plutôt qu'avec une batterie traditionnelle ? Les scientifiques espèrent que les piles à combustible microbiennes – des dispositifs qui utilisent des bactéries pour produire de l'électricité – pourraient un jour faire de cette vision une réalité.

Les scientifiques espèrent concevoir de nouvelles souches de bactéries qui produisent de l'énergie plus efficacement.

Alors que les piles à combustible typiques utilisent l'hydrogène comme carburant, séparant les électrons pour créer de l'électricité, les bactéries peuvent utiliser une grande variété de nutriments comme carburant. Certaines espèces, telles que Shewanella oneidensis et Rhodoferax ferrireducens , transforment ces nutriments directement en électrons. En effet, les scientifiques ont déjà créé des piles à combustible microbiennes expérimentales qui peuvent évacuer le glucose et les eaux usées. Bien que ces organismes microscopiques soient remarquablement efficaces pour produire de l'énergie, ils n'en produisent pas assez pour des applications pratiques.

Tim Gardner , bioingénieur à l'université de Boston (et membre du TR35 2004), a développé une nouvelle technique pour comprendre les réseaux de gènes qui régulent les réactions chimiques se déroulant dans les cellules bactériennes. La carte qui en résultera sera une avancée pour le domaine de la biologie synthétique : la quête pour concevoir et construire des systèmes biologiques capables de remplir des fonctions spécifiques. L'équipe de Gardner vise à exploiter le système de contrôle génétique pour concevoir des bactéries capables de produire de l'énergie plus efficacement.

Pour tester leur technique, Gardner et ses collègues ont analysé le réseau réglementaire de Escherichia coli , une bactérie courante souvent utilisée dans les études de recherche. Les chercheurs ont identifié plus de 200 régulateurs de gènes qui pourraient être utilisés dans des circuits de biologie synthétique. Et ils appliquent maintenant la technologie à Shewanella bactéries.

Technology Review a interviewé Tim Gardner au sujet de ses plans pendant la Conférence Biologie synthétique 2.0 , qui s'est tenue cette semaine à l'Université de Californie à Berkeley.

Examen de la technologie : Quel est le potentiel des piles à combustible microbiennes ?

Tim Gardner : Les piles à combustible microbiennes pourraient vraiment se produire, mais nous avons encore du chemin à faire pour améliorer la puissance de sortie. À l'heure actuelle, la production est si faible qu'il est peu probable que la technologie puisse générer de l'électricité pour les maisons et les voitures. Mais il existe certaines applications pour lesquelles les piles à combustible pourraient être appropriées. Certains appareils n'ont pas besoin de beaucoup d'énergie ou pourraient bénéficier de la possibilité d'utiliser des sources de carburant inhabituelles - un implant médical qui est alimenté par le sang, par exemple, et n'a jamais besoin d'être chargé. Ou des robots sur le terrain qui pourraient saisir une plante et la convertir en énergie.

ENFANTS : Comment allez-vous améliorer la conception des bactéries par la nature ?

TG : Nous voulons concevoir rationnellement une cellule en manipulant des machines existantes. Une grande partie des premiers travaux en biologie synthétique consistait à essayer de construire des appareils complets à partir de zéro. Mais nous avons réalisé que nous étions fondamentalement limités en utilisant une approche entièrement synthétique - nous essayions de construire ce que l'évolution avait construit sur des millions d'années. Alors nous avons dit, essayons de peaufiner ce que l'évolution a déjà construit.

ENFANTS : En quoi votre approche est-elle différente des techniques traditionnelles de biologie moléculaire ?

TG : Les gens modifient les systèmes génétiques depuis des années. Mais, pour la plupart, c'est une approche d'essais et d'erreurs. Ils modifient quelque chose et voient ce qui se passe. Nous voulions apporter une perspective au niveau des systèmes, afin que nous puissions aborder le problème comme un ingénieur. Pour ce faire, nous devions en savoir plus sur les circuits existants, nous avons donc commencé à faire de la cartographie génétique.

Nous nous sommes concentrés sur la cartographie des circuits de régulation [un réseau de gènes qui contrôlent les réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule]. Si vous essayez de comprendre les circuits d'une maison, vous allez au disjoncteur et allumez et éteignez les circuits, à la recherche du circuit qui contrôle la salle de bain ou la cuisine. Nous faisons la même chose chez les bactéries, mais c'est un peu plus compliqué. Nous stressons les bactéries de différentes manières, avec différents produits chimiques ou températures extrêmes, puis voyons comment chaque gène réagit. Si vous faites cela des centaines de fois, vous pouvez rechercher des gènes qui changent ensemble. Par exemple, si vous voyez différents gènes dont l'expression change de la même manière dans différentes conditions, nous pouvons en déduire que ces gènes sont liés. Nous pouvons alors identifier les interactions de régulation des gènes et cartographier le réseau.

ENFANTS : Que ferez-vous de ces informations ?

TG : Nous avons l'espoir d'assembler des modèles de régulation du génome entier dans de nouveaux organismes, ce qui pourrait être très puissant. Nous prévoyons de l'essayer sur des organismes producteurs d'électricité, qui produisent de l'électricité directement à partir de sources de carbone.

Nous allons coupler le réseau de régulation avec un modèle du réseau métabolique [une carte des réactions métaboliques de la cellule], où se déroule la véritable activité de transformation du carbone en électricité. Ensuite, nous essaierons de prédire ce qui se passera si nous modifions les gènes ou les nutriments. Nous essaierons de décider si et comment nous pourrions augmenter la puissance de sortie ou l'efficacité thermodynamique de l'organisme.

Comprendre ces réseaux pourrait également aider les scientifiques à créer des circuits artificiels à partir de zéro. Les scientifiques ont déjà construit un certain nombre de machines biologiques, telles que des détecteurs de toxines ou des caméras bactériennes . C'était une ingénierie de circuit soignée, mais la plupart de ces appareils sont construits en utilisant seulement trois ou quatre composants. Comprendre les régulateurs géniques élargira la liste des pièces qui peuvent être utilisées, car les scientifiques comprendront comment les pièces auront un impact sur la cellule.

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