Une plateforme expérimentale améliore la compréhension des piles à combustible microbiennes
Les bactéries électroactives peuvent directement relier leur métabolisme respiratoire à leur environnement extracellulaire en transférant des électrons à travers des membranes biologiques aux électrodes. Les bactéries électroactives servent donc de catalyseurs d’électrodes peu coûteux, et des stratégies visant à favoriser leur adhésion et à faciliter le transfert d’électrons peuvent considérablement améliorer les performances des dispositifs bioélectrochimiques.
Une étude de l’activité des protéines bactériennes électroactives
À l’heure actuelle, nous manquons de connaissances fondamentales sur le mécanisme de transfert d’électrons et de protons des bactéries électroactives. Certains de ces processus peuvent avoir des effets délétères sur le métabolisme et la stabilité du biofilm, limitant ainsi l’utilité de biofilms catalytiques. Nous savons que ce processus est facilité par des protéines membranaires de structure complexe présentant des propriétés redox. Le projet MELBA, financé par l’UE, avait pour but d’améliorer ces connaissances et d’exploiter les propriétés de transfert de charge des protéines issues de bactéries électroactives Gram-négatives dans des applications biotechnologiques. Avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, les scientifiques ont conçu une plateforme électrochimique pour étudier l’activité de protéines spécifiques extraites de bactéries. «Nous nous sommes concentrés sur les protéines des bactéries électroactives, des micro-organismes qui ne dépendent pas de l’oxygène pour respirer (comme nous les êtres humains ou comme d’autres bactéries aérobies), mais de la réduction de solides extracellulaires comme les oxydes de fer,» explique Frédéric Barrière, coordinateur du projet. La plateforme comprenait une électrode recouverte de lipides naturels afin d’héberger de façon biomimétique la protéine transmembranaire à l’étude. Ils ont également recouvert l’électrode de molécules sensibles au pH comme les quinones pour étudier les transferts d’électrons et de protons des bactéries électroactives. «Avec un modèle de protéine redox, nous avons montré que ce concept fonctionne et que nous pouvions mesurer avec la même électrode le transfert d’électrons et de protons,» poursuit M. Barrière. L’immobilisation du cytochrome c dans le dépôt lipidique supporté à la surface de l’électrode en carbone a permis d’étudier son comportement électrochimique à l’aide de la voltampérométrie cyclique. Estelle Lebègue, boursière du projet MELBA, prévoit d’étendre ces travaux et d’utiliser la plateforme pour étudier plus avant diverses protéines membranaires qu’elle a purifiées à partir de bactéries électroactives.
Des perspectives d’avenir pour la technologie MELBA
Les systèmes bioélectrochimiques microbiens sont très prometteurs pour soutenir la transition énergétique verte à venir. En principe, ces dispositifs peuvent être mis en œuvre dans les stations d’épuration des eaux usées pour nettoyer l’eau par l’oxydation des déchets organiques tout en produisant de l’électricité. Cependant, leurs performances sont actuellement trop faibles pour qu’ils soient appliqués à grande échelle, ce qui nécessite une étude plus fondamentale et appliquée des bactéries et des facteurs qui affectent la viabilité du biofilm catalytique. La plateforme MELBA a le potentiel de contribuer à améliorer la compréhension des bactéries électroactives et de leurs protéines pour une utilisation dans des dispositifs électrochimiques. L’étude des protéines redox dotées d’une capacité extracellulaire de transport des protons améliorera la viabilité des micro-organismes électroactifs et des biofilms catalytiques. À l’avenir, la plateforme pourra s’étendre pour examiner l’activité des ionophores en immobilisant les capteurs d’ions appropriés sur la surface de l’électrode. Collectivement, la plateforme MELBA assistera les applications biotechnologiques qui utilisent des micro-organismes électroactifs pour la catalyse, comme les piles à combustible microbiennes ou les cellules d’électrolyse microbienne. Étant donné que les stratégies alternatives en matière d’énergie renouvelable deviennent une priorité en raison des préoccupations liées au changement climatique, l’amélioration du rendement des bactéries dans les piles à combustible contribuera à réduire la dépendance actuelle à l’égard de l’électricité produite à partir de combustibles fossiles.
Mots‑clés
MELBA, bactéries électroactives, protéine, électrode, électrochimique, membrane, dispositif électrochimique, transfert de protons, transfert d’électrons, extrait