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Une photosynthèse artificielle prometteuse inspirée... d'une grenouille

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Des ingénieurs américains veulent imiter les végétaux et même faire mieux qu'eux en réalisant une photosynthèse artificielle très efficace, capable d'utiliser l'énergie solaire pour produire des biocarburants ou capter du carbone. Leur secret ? Une curieuse écume inspirée d'une grenouille, dans laquelle la photosynthèse se réalise en s'affranchissant de certaines contraintes des végétaux.

L’association inattendue d’une grenouille et de plantes a permis de créer une écume capable de photosynthèse artificielle. © Université de Cincinnati

La vie n'a pas attendu l'homme et ses panneaux photovoltaïques pour exploiter l'énergie solaire. Les organismes ont élaboré une chaîne de réactions biochimiques pour transformer l'énergie du Soleil et le CO2 en énergie chimique sous la forme de sucres. Cette photosynthèse est aujourd'hui utilisée par l'homme pour produire nourriture, matières premières et énergie. Grâce à une grenouille, les ingénieurs de l'Université de Cincinnati viennent de trouver un moyen pour exploiter cette photosynthèse mais sans végétaux. Ce moyen est une écume capable de photosynthèse artificielle.

« L'avantage de notre système comparé aux plantes et aux algues est que toute l'énergie solaire capturée est convertie en sucres, alors que ces organismes doivent utiliser une grande partie de l'énergie pour leurs autres fonctions qui les maintiennent en vie et leur permettent de se reproduire, explique David Wendell. En outre, notre écume n'a pas besoin de sol, elle n'entre donc pas en concurrence avec la production de nourriture, et elle peut être utilisée dans un environnement très riche en carbone, comme les rejets d'une centrale à charbon, contrairement à un grand nombre de systèmes photosynthétiques naturels. »

Pour parvenir à ce tour de force biotechnologique, David Wendell, Jacob Todd et Dean Carlo Montemagno se sont inspirés du nid d'écume produit par une grenouille semi-tropicale. Ils ont ainsi pu concentrer des enzymes issues de végétaux, de bactéries et de champignons dans une structure, l'écume, très perméable à la lumière et l'air.

Ignorant les besoins vitaux des végétaux ainsi que leur inhibition par les fortes concentrations de CO2, la photosynthèse artificielle de cette écume affiche un rendement avoisinant les 96%.

Vue en coupe de l’écume. Les lignes vertes sont les parois des bulles et les points verts sont les bords de Plateau, ces micro-canaux qui concentrent les enzymes et les produits de la photosynthèse artificielle. © American Chemical Society 2010

Des bulles protectrices converties en microcentrale énergétique

La structure de cette écume, association de bulles transparentes et remplies d'air, assure aux associations enzymatiques et aux vésicules lipidiques concentrées dans des canaux microscopiques un large accès à la lumière et au dioxyde de carbone. Ces micro-canaux appelés bords de Plateau sont formés par la rencontre le long d'une ligne commune de trois faces de bulles.

La grenouille de Tungara (Engystomops pustulosus) n'a pas seulement inspiré les ingénieurs de l'Université de Cincinnati, comme ils l'expliquent dans la revue Nano Letters, elle leur a aussi fourni la protéine surfactante nécessaire à la création de l'écume. Cette protéine, la Ranaspumin-2, possède en effet les propriétés tensioactives moussantes qui favorisent la formation et l'association de bulles en une écume. A l'origine, cette écume est produite pendant l'accouplement pour protéger les œufs de la déshydratation, des rayonnements nocifs du soleil, des variations de température et des pathogènes.

La prochaine étape de développement technologique est de passer à une échelle industrielle qui permettrait, par exemple, de capturer le carbone des centrales à charbon. Cela implique de développer une technique pour extraire d'un côté les lipides destinés à la production de biodiesel, et de l'autre les éléments nécessaires à la régénération de l'écume.

Selon Dean Carlo Montemagno, la technologie mise au point avec cette écume ouverte une porte sur la création de nouveaux matériaux intégrant des processus du vivant, pour la production de biocarburant mais aussi pour d'autres buts.