Des chloroplastes biomimétiques pour capturer et convertir le CO2 à la lumière

Publié par Isabelle le 15/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Dans la nature, la photosynthèse a lieu dans des compartiments spécialisés, les chloroplastes des plantes. En utilisant la biologie de synthèse et la microfluidique, des scientifiques de la Société Max Planck et du Centre de recherche Paul-Pascal (CRPP - CNRS/université de Bordeaux) ont pu construire des systèmes de la taille d'une cellule, capables de photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus...) à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) des mondes biologiques et artificiels. De belles perspectives pour capturer et convertir le CO2. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science.


Mime de chloroplaste obtenu par assemblage de systèmes naturels et synthétiques dans des gouttes de taille micrométriques (diamètre: environ 90 microns) © Max-Planck-Institute for terrestrial Microbiology / T.Erb

Au cours de milliards d'années, les micro-organismes et les plantes ont élaboré le processus ingénieux qu'est la photosynthèse. Elle convertit l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à...) en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) chimique, permettant des synthèses de molécules complexes alimentant toute vie (La vie est le nom donné :) sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) (ressources alimentaires et oxygène). Au coeur de ces micro-organismes et végétaux se trouvent les chloroplastes, ces machines moléculaires ou moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) naturels probablement parmi les plus importants sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...). De nombreux scientifiques envisagent de reconstruire et de contrôler artificiellement le processus de photosynthèse. Cela signifierait être en capacité de produire de l'énergie propre (Une énergie propre ou énergie verte est une source d'énergie dont l'exploitation ne produit que des quantités négligeables de polluants par rapport à d'autres sources plus répandues et considerées comme plus polluantes. Le...) sous forme de biocarburant (Un biocarburant ou agrocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles, provenant de la biomasse. Il existe actuellement deux filières...), ou des composés carbonés de plus haute valeur ajoutée, tels que des antibiotiques et autres produits, simplement à partir de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) et du CO2.

Mais comment construire une cellule photosynthétique vivante à partir d'éléments de synthèse ? Pour imiter les processus d'une cellule vivante, il est essentiel que ses composants (enzymes, organelles,...) fonctionnent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...). Tobias Erb, directeur de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) Max Planck de microbiologie (La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).) terrestre et Jean-Christophe Baret, professeur à l'université de Bordeaux (Cette page est consacrée au PRES Université de Bordeaux. Pour les pages sur les universités, voir Université Bordeaux I, Université Bordeaux...) au Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) Paul-Pascal (CRPP - CNRS/université de Bordeaux) poursuivent cet objectif ambitieux dans le cadre d'une initiative internationale et interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.), le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) MaxSynBio. Ils ont créé, avec leurs équipes, une plateforme pour la construction automatisée de compartiments photosynthétiques actifs de la taille d'une cellule, les "chloroplastes artificiels", qui sont capables de capturer et de convertir le CO2 avec la lumière.

Les chercheurs ont utilisé deux développements technologiques récents: la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) de synthèse pour la conception et la construction de nouveaux systèmes biologiques, tels que les réseaux de réactions enzymatiques pour la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce...) et la conversion du CO2, et la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de...), une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) permettant le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de liquides (comme de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de l'huile) et l'assemblage de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) mous. Dans ce cas, ils fabriquent des gouttelettes de la taille d'une cellule et y encapsulent les réseaux de réactions enzymatiques.

Les scientifiques de l'Institut Max Planck ont isolé l'appareil photosynthétique des épinards et ont démontré qu'il était capable de fournir de l'énergie chimique qui pourrait être utilisée pour alimenter des réactions uniques et des réseaux de réaction plus complexes avec de la lumière. Mais ce n'était que la première étape vers la création d'un chloroplaste artificiel.

"Un objectif de longue date dans notre laboratoire est d'utiliser la biologie synthétique pour créer des solutions durables aux grands défis de notre temps, tels que le réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou réchauffement global, est un phénomène...). Il y a quelques années, nous avions développé le cycle CETCH, un module métabolique de conversion du CO2 que nous avons construit à partir de 18 enzymes individuelles et qui est plus efficace que le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière...) du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) naturellement évolué par les plantes", explique Tobias Erb. "Avec le module énergétique à notre disposition, nous pourrions désormais combiner les deux processus essentiels de la photosynthèse en un seul système ". Après plusieurs cycles d'optimisation des deux modules, les auteurs ont enfin pu démontrer la capture du CO2 par leur système intégré.

Alors que l'équipe a réussi à prototyper leur photosynthèse artificielle dans le tube de réaction, il leur manquait encore une technologie pour miniaturiser et assembler leur système à l'échelle microscopique dans un compartiment contrôlé. C'est là qu'interviennent Jean-Christophe Baret et son équipe. L'automatisation est la clé de la production de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...). La nouvelle plateforme microfluidique a servi de petite usine pour créer des milliers de gouttelettes normalisées de type cellulaire, qui peuvent être remplies individuellement de contenu. "Nous pouvons construire des milliers de gouttelettes similaires ou équiper ces gouttelettes de propriétés spécifiques afin que leurs fonctions diffèrent les unes des autres. Nous pouvons les synchroniser dans leur activité ou programmer des comportements dynamiques distincts", explique Tarryn Miller ; l'étudiante en thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il...) sous la direction de Tobias Erb est venue faire ces manipulations au CRPP aux côtés de Thomas Beneyton, ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en...) de recherche au laboratoire. "Cela nous permet de créer des microréacteurs autonomes que nous pouvons contrôler dans le temps et l'espace par la lumière."

Le chloroplaste artificiel comporte plusieurs enzymes et réactions nouvelles, ce qui lui permet de capter le CO2 plus de 100 fois plus rapidement que d'autres approches synthétiques. Il est notamment aussi plus économe en énergie que la photosynthèse naturelle. "Pour l'instant les produits de cette photosynthèse artificielle restent encapsulés dans les gouttes, le prochain défi est d'utiliser l'organisation (Une organisation est) spatiale des gouttes et de coupler ces systèmes pour en extraire les molécules d'intérêt. " précise Jean-Christophe Baret. À long terme, des systèmes plus complexes créés suivant ces concepts de biologie synthétique pourraient trouver des applications dans pratiquement tous les domaines technologiques, y compris la science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de...), la biotechnologie (L’OCDE définit les biotechnologies comme "l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants à d’autres matériaux vivants ou non vivants, pour la production de savoir, biens et services.") et la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à...).

Référence:
Tarryn E. Miller, Thomas Beneyton, Thomas Schwander, Christoph Diehl, Mathias Girault, Richard McLean, Tanguy Chotel, Peter Claus, Niña Socorro Cortina, Jean-Christophe Baret, Tobias J. Erb
Light-powered CO2fixation in a chloroplast mimic with natural (Natural est un langage de programmation semi-compilé, édité par la société allemande Software AG.) and synthetic parts - Science, 2020.
DOI: 10.1126/science.aaz6802

Contacts:
- Jean-Christophe Baret - CNRS-UMR5031, Centre de Recherche Paul Pascal - jean-christophe.baret at u-bordeaux.fr
- Claire Gouny - Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) délégation Aquitaine - claire.gouny at cnrs.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) du CNRS - inc.communication at cnrs.fr
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