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Un biocarburant directement produit par la photosynthèse

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En modifiant astucieusement les rouages de la photosynthèse réalisée par des bactéries, des chercheurs sont parvenus à leur faire fabriquer de l'hydrogène gazeux. De quoi transformer ces micro-organismes en usines à fabriquer du biocarburant utilisable dans les piles à combustible.

Schéma de fonctionnement d'une pile à combustible. L'hydrogène moléculaire produit durant la photosynthèse pourrait être employé comme combustible principal. Une pile à combustible permet de fournir du courant à partir d'hydrogène et d'air. Le seul déchet engendré correspond à de l'eau. © Axane.fr

Pour produire le dihydrohène (H2) utilisable dans les piles à combustible génératrices d'électricité, à qui on promet de nombreuses utilisations, comme la voiture électrique, les scientifiques explorent toutes les voies possibles. En voici une nouvelle, proposée par des biochimistes et consistant à détourner la photosynthèse réalisées par des bactéries

Utilisée par les plantes, des cyanobactérie et des bactéries photosynthétiques, la photosynthèse produit de l'énergie (sous forme de glucides) à partir d'eau, de CO2 et de l'énergie lumineuse du soleil. Pour comprendre l'idée de ces scientifiques, il faut se pencher un peu sur les rouages internes de cette mécanique biochimique. Schématiquement, des complexes moléculaires appelés photosystèmes 1 et 2 captent des photons et utilisent l'énergie générée pour libérer des électrons (e-). Ces particules chargées négativement et hautement énergétiques sont à leur tour interceptées par différentes molécules dont les ferrédoxines (« fd » sur le schéma ci-dessous). Celles-ci transfèrent ensuite les électrons à la NADP réductase (ou FNR, Ferredoxine:NADP+ réductase), l'enzyme responsable du stockage de l'énergie produite jusqu'à ce qu'elle soit utilisée pour la synthèse de glucides.

C'est à cette étape de la photosynthèse que s'est intéressée l'équipe dirigée par Carolyn Lubner de l'université de Penn State, dont les résultats viennent d'être publiés dans la revue Pnas. Ces chercheurs ont remplacé l'accepteur d'électrons de la FNR, en l'occurrence la NADP réductase, par une hydrogénase, une enzyme qui convertit des ions H+ (un atome d'hydrogène dépourvu d'électron) en H2, c'est-à-dire en dihydrogène. Ces expériences ont été menées sur des cyanobactéries dénommées Synechococcus et des bactéries appartenant à l'espèce Clostridium acetobutylicum.

Après ce bricolage biochimique, la lumière provoque chez ces micro-organismes une libération d'électrons, qui sont ensuite acheminés vers des hydrogénases les associant à des ions H+ pour créer du dihydrogène. Le résultat de ces réactions est donc un biocarburant utilisable dans les piles à combustible et qui est réalisé à partir de la lumière solaire.

Schéma montrant les mouvements d'électrons durant la photosynthèse. Carolyn Lubner et son équipe ont remplacé la NADP réductase par une enzyme H2ase qui associe les électrons à des ions hydrogènes pour former de l'hydrogène moléculaire. © Adapté de Cocks & Frans (2004)

Ce biocarburant est-il rentable ?

Les chercheurs ne se sont pas arrêtés là. La même enzyme a été utilisée pour unir les éléments métalliques de tous les photosystèmes 1 (à droite sur le schéma ci-dessus) de chaque bactérie. Ce lien moléculaire permet d'accélérer le transfert des électrons et donc d'augmenter le rendement de la réaction. Le système est encore plus efficace s'il est alimenté en vitamine C dont le rôle est de fournir des électrons en suffisance. 

Au final, les chercheurs ont créé une nanomachinerie permettant la production d'hydrogène à un haut débit. En effet, le rendement de la photosynthèse modifiée vaut plus du double de ce qui est observé naturellement dans les cellules. Par ailleurs, les réactions créant l'hydrogène sont capables de fonctionner durant plusieurs heures sans phénomène d'épuisement, tant qu'il y a suffisamment de vitamine C.

Le principe serait adaptable à d'autres enzymes et à d'autres bactéries. On pourrait dès lors utiliser ces manipulations pour produire différents carburants.