Explorer le potentiel de la biosynthèse périplasmique pour une énergie solaire efficace

28 juillet 2023

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par Li Yuan, Académie chinoise des sciences

Des chercheurs de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen (SIAT) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) et de l'Université de Chicago ont découvert la précipitation de nanoclusters semi-conducteurs dans l'espace périplasmique des bactéries à Gram négatif pour une production chimique efficace basée sur l'énergie solaire. Les résultats ont été publiés dans Science Advances le 21 juillet.

La biominéralisation, processus impliquant le dépôt de substances inorganiques autour des cellules et tissus biologiques, conduit à la formation de matériaux composites. Les bactéries ont la capacité d’extraire les ions métalliques de leur environnement et de produire des matériaux fonctionnels.

L'espace périplasmique, matrice semblable à un gel entre la membrane cytoplasmique interne et la membrane externe des bactéries, offre des opportunités uniques pour synthétiser et utiliser des nanomatériaux dans un environnement confiné.

L'espace périplasmique des bactéries à Gram négatif, caractérisé par une abondance d'enzymes et de peptidoglycane, constitue un terrain fertile pour la biominéralisation. De plus, les bactéries Gram-négatives ont une chaîne de transport d'électrons étroitement connectée au périplasme, ce qui facilite le transfert d'électrons induit par la lumière du semi-conducteur à la chaîne de transport d'électrons pour une régénération de puissance réductrice intracellulaire. Les nanoclusters semi-conducteurs riches en défauts produits in situ pourraient élever les niveaux d'adénosine triphosphate (ATP) et améliorer la production de malate dans des conditions de lumière.

De plus, l’équipe a élargi la durabilité de la biosynthèse périplasmique, notamment en réduisant la teneur en métaux lourds, en créant un bioréacteur vivant et en construisant un système de photosynthèse semi-artificielle. En exploitant le pouvoir de la biominéralisation, la biosynthèse périplasmique a montré un immense potentiel en tant que plateforme pour diverses applications durables.

"Nous pensons que la biosynthèse périplasmique peut servir de modèle inestimable basé sur la photosynthèse semi-artificielle pour la biocatalyse solaire et la durabilité", a déclaré le professeur Gao Xiang, co-auteur de l'étude.

La biosynthèse des semi-conducteurs est hautement adaptable, permettant une biocompatibilité contrôlée et un appariement efficace avec des composants bactériens, servant de source d'électrons pour les processus métaboliques. Bien que la synthèse de nanoparticules métalliques au sein du périplasme ait été rapportée, les études sur les interfaces biologiques à base de semi-conducteurs dans cet espace sont rares, notamment en termes de biorégulation et de durabilité multiniveau.

L'équipe de recherche a développé une approche non génétique pour la biominéralisation des semi-conducteurs dans le périplasme d'E. coli (l'organisme modèle des bactéries à Gram négatif) et à partir de biohybrides microbiens. Les nanoclusters semi-conducteurs présentaient une cristallinité réduite et étaient stabilisés par la matrice périplasmique de peptidoglycane, offrant ainsi une interface plus douce avec la cellule bactérienne. Ils ont étudié les mécanismes sous-jacents des matériaux et la caractérisation biologique et ont découvert que les nanoclusters semi-conducteurs (par exemple, CdS) étaient médiés par la voie de production de H2S.

Les résultats mettent en évidence la nature sous-explorée de l’espace périplasmique chez les bactéries, qui présente un potentiel pour la construction de biohybrides à base de semi-conducteurs pouvant être appliqués à l’assainissement de l’environnement, à la fabrication de bioréacteurs vivants et à la photosynthèse semi-artificielle pour la bioproduction et la durabilité.

La plate-forme biohybride de biominéralisation périplasmique formant des bactéries semi-conductrices développée par l'équipe de recherche pour la production chimique solaire peut potentiellement être étendue à d'autres bactéries ou cellules, enrichissant ainsi les applications de bioremédiation avec une durabilité supplémentaire.