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Une enzyme de bactérie peut extraire l’énergie de l’hydrogène dans l’atmosphère

Cela peut sembler surprenant, mais lorsque les temps sont durs et qu’aucune autre nourriture n’est disponible, certaines bactéries du sol peuvent consommer des traces d’hydrogène dans l’air comme source d’énergie.

En fait, les bactéries éliminent 70 millions de tonnes d’hydrogène par an de l’atmosphère, un processus qui constitue littéralement la composition de l’air que nous respirons.

Nous avons isolé une enzyme qui permet à certaines bactéries de consommer de l’hydrogène et d’en extraire de l’énergie et nous avons découvert qu’elle peut produire un courant électrique directement lorsqu’elle est exposée à des quantités infimes d’hydrogène. Comme nous le rapportons dans un nouvel article paru dans Nature, l’enzyme pourrait avoir un grand potentiel pour alimenter de petits appareils durables à air comprimé à l’avenir. Les gènes bactériens détiennent le secret de la transformation de l’air en électricité Poussés par cette découverte, nous avons analysé le code génétique d’une bactérie du sol appelée Mycobacterium smegmatis, qui consomme l’hydrogène de l’air.

Écrit dans ces gènes se trouve un plan pour produire la machinerie moléculaire responsable de la consommation d’hydrogène et de sa conversion en énergie pour les bactéries. Cette machine est une enzyme appelée « hydrogénase », que nous avons nommée Huc en abrégé.

L’hydrogène est la molécule la plus simple, composée de deux protons chargés positivement liés par une liaison de deux électrons chargés négativement. Huc rompt cette liaison, les protons se séparent et les électrons sont libérés. Chez les bactéries, ces électrons libres circulent dans un circuit complexe appelé chaîne de transport d’électrons et sont exploités pour fournir de l’énergie à la cellule.

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L’électricité est constituée d’électrons en circulation, ce qui signifie que Huc convertit l’hydrogène directement en courant électrique.

L’hydrogène ne représente que 0,00005 % de l’atmosphère. Consommer ce gaz à des concentrations aussi faibles est un énorme défi qu’aucun catalyseur connu ne peut relever. De plus, l’oxygène, abondant dans l’atmosphère, empoisonne l’activité de la plupart des catalyseurs consommateurs d’hydrogène.

Isoler l’enzyme qui permet aux bactéries de vivre dans l’air Nous voulions savoir comment Huc surmonte ces défis, nous avons donc décidé de l’isoler des cellules de M. smegmatis.

Le processus de réalisation était compliqué. Nous avons d’abord modifié les gènes de M. smegmatis qui permettent aux bactéries de fabriquer cette enzyme. Ce faisant, nous avons ajouté une séquence chimique spécifique à Huc, ce qui nous a permis de l’isoler des cellules de M. smegmatis. Bien voir Huc n’a pas été facile. Il a fallu plusieurs années et plusieurs impasses expérimentales avant que nous puissions enfin isoler un échantillon de haute qualité de la nouvelle enzyme.

Cependant, le travail acharné en valait la peine, car le Huc que nous avons finalement produit est très stable. Résiste à des températures de -80°C à -80°C sans perte d’activité.

Le modèle moléculaire pour extraire l’hydrogène de l’air Avec l’isolement de Huc, nous avons entrepris de l’étudier sérieusement, pour découvrir exactement ce que l’enzyme pouvait faire. Comment convertir l’hydrogène de l’air en une source d’électricité durable ? Remarquablement, nous avons constaté que même lorsqu’il est isolé de bactéries, Huc peut absorber de l’hydrogène à des concentrations bien inférieures à de petites traces dans l’air. En fait, Huc dégage encore une bouffée d’hydrogène trop faible pour notre chromatographe en phase gazeuse, l’instrument très sensible que nous utilisons pour mesurer les concentrations de gaz, à détecter.

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Nous avons également constaté que Huc est complètement non lié à l’oxygène, une propriété non observée dans d’autres catalyseurs consommant de l’hydrogène. Pour évaluer leur capacité à convertir l’hydrogène en électricité, nous avons utilisé une technique appelée électrochimie. Cela a montré que Huc pouvait convertir d’infimes concentrations d’hydrogène dans l’air directement en électricité, ce qui pouvait alimenter un circuit électrique. C’est une prouesse remarquable et sans précédent pour un catalyseur consommateur d’hydrogène.

Nous avons utilisé plusieurs approches de pointe pour étudier comment Huc fait cela au niveau moléculaire. Cela impliquait une microscopie avancée (microscopie électronique refroidie) et une spectroscopie pour déterminer sa structure atomique et ses voies électriques, repoussant les limites pour produire la structure enzymatique la plus précise jamais rapportée par cette méthode.

Des enzymes pourraient utiliser l’air pour alimenter les appareils de demain. Cette recherche n’en est qu’à ses débuts et de nombreux défis techniques doivent être surmontés pour réaliser le potentiel de Huc.

D’une part, nous allons devoir augmenter considérablement la production de Huc. En laboratoire, nous produisons du Huc en milligrammes, mais nous voulons éventuellement augmenter cela en grammes et en kilogrammes.

Cependant, nos travaux montrent que Huc agit comme une « batterie naturelle » qui produit un courant électrique soutenu à partir d’air ou d’hydrogène ajouté.

En conséquence, Huc a un grand potentiel dans le développement de petits appareils éoliens durables comme alternative à l’énergie solaire.

La quantité d’énergie fournie par l’hydrogène dans l’air serait faible, mais elle suffirait probablement à alimenter un afficheur biométrique, une horloge, une boule LED, ou un simple ordinateur. Avec plus d’hydrogène, Huc produit plus d’électricité et peut alimenter des appareils plus gros. Une autre application est le développement de capteurs photoélectriques basés sur Huc pour la détection d’hydrogène, qui peuvent être incroyablement sensibles. Huc pourrait être inestimable pour détecter les fuites dans l’infrastructure de notre économie de l’hydrogène en plein essor ou dans un cadre médical.

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En bref, cette recherche montre comment une découverte fondamentale sur la façon dont les bactéries du sol se nourrissent peut conduire à une réinvention de la chimie de la vie. En fin de compte, cela peut également conduire au développement de technologies pour l’avenir. (conversationnelle) NSA

(Cette histoire n’a pas été éditée par l’équipe de Devdiscourse et a été automatiquement générée à partir d’un flux syndiqué.)

Delphine Perrault

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