Synthèse au-delà du naturel via un système photosynthétique biohybride découplé de l'énergie solaire
Contexte académique
Les micro-organismes photosynthétiques peuvent convertir directement le dioxyde de carbone (CO₂) en produits chimiques à longue chaîne à haute valeur ajoutée en transformant l’énergie solaire en énergie chimique, offrant ainsi une voie très prometteuse pour la séquestration du CO₂ et le développement durable. Cependant, la principale force réductrice générée lors de la réaction photosynthétique – le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit (NADPH) – est principalement utilisée pour soutenir la survie des micro-organismes dans l’obscurité, et non pour la biosynthèse. Cette limitation restreint gravement le potentiel des micro-organismes photosynthétiques dans les applications pratiques. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé une stratégie biohybride découplée du solaire : en combinant un photocatalyseur persistant à un micro-organisme photosynthétique, ils parviennent à découpler les réactions de lumière et d’obscurité, permettant ainsi l’utilisation continue du CO₂ et la biosynthèse de produits chimiques à longue chaîne même en l’absence de lumière.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par Na Chen, Jing Xi, Tianpei He et d’autres auteurs issus de l’Hôpital du peuple de l’Université de Wuhan, l’Université du Hunan, l’Université Jiaotong de Shanghai et d’autres institutions. Il a été publié le 10 avril 2025 dans la revue Chem sous le titre « Beyond Natural Synthesis via Solar-Decoupled Biohybrid Photosynthetic System ». Les auteurs correspondants sont Lilei Yu, Yun Zhang et Quan Yuan.
Processus et résultats de la recherche
1. Conception de l’étude
L’équipe de recherche a proposé une stratégie biohybride découplée du solaire, en associant un photocatalyseur persistant à un micro-organisme photosynthétique (tel que Rhodopseudomonas palustris) afin de réaliser un découplage entre les réactions de lumière et d’obscurité. Le photocatalyseur persistant peut collecter et stocker les charges photogénérées pendant la phase d’illumination solaire, puis les libérer lentement dans l’obscurité, fournissant ainsi une force réductrice continue aux micro-organismes.
2. Conception et optimisation du photocatalyseur
L’équipe de recherche a utilisé le Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4 (ZGG0) comme photocatalyseur persistant et a appliqué une dopage au nickel (Ni) pour réaliser une ingénierie des défauts et améliorer l’efficacité du stockage de l’énergie solaire. Par des calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et des expériences, ils ont découvert que le dopage au Ni pouvait optimiser la structure électronique du catalyseur, réduire la largeur de bande et augmenter la quantité de lacunes d’oxygène (Vo) et de germanium (VGe), ce qui améliore considérablement l’efficacité de stockage de l’hydrogène du photocatalyseur.
3. Construction du système biohybride
Les chercheurs ont combiné le photocatalyseur ZGG0:Ni optimisé avec R. palustris pour construire un système biohybride découplé du solaire. Les expériences ont montré que le photocatalyseur pouvait convertir l’énergie solaire en hydrogène réducteur (H₂) et en électrons photogénérés pendant la période d’illumination, puis libérer lentement ces forces réductrices dans l’obscurité, favorisant ainsi la régénération du NADPH microbien et les processus biosynthétiques.
4. Résultats expérimentaux
- Efficacité de la photocatalyse : L’efficacité apparente de conversion de la lumière (APCE) du photocatalyseur ZGG0:Ni atteint 8,30 %, soit nettement plus que le groupe témoin sans photocatalyseur (4,36 %).
- Régénération du NADPH : Dans l’obscurité, la force réductrice stockée par le photocatalyseur augmente significativement l’efficacité de régénération du NADPH microbien, atteignant finalement 36,30 %.
- Fixation du CO₂ et biosynthèse : Le système biohybride présente un taux de fixation du CO₂ de 3,17 mM/g DCW/h et une production de lycopène de 8,80 mg/L, dépassant largement le groupe témoin.
5. Analyse des mécanismes moléculaires
Grâce à des analyses transcriptomiques et métabolomiques, les chercheurs ont observé que le photocatalyseur induisait une surexpression significative des gènes associés au transport d’électrons, à la photosynthèse, au cycle CBB (Calvin-Benson-Bassham) et aux hydrogénases, augmentant ainsi l’activité métabolique des micro-organismes.
Conclusions et importance
Cette étude démontre qu’en construisant un système biohybride découplé du solaire, il est possible d’utiliser le CO₂ et de réaliser une biosynthèse efficace de manière continue même sans lumière. Cette stratégie améliore significativement l’efficacité d’utilisation de l’énergie solaire par les micro-organismes photosynthétiques et offre de nouvelles perspectives pour le stockage et l’utilisation durable de l’énergie. De plus, l’étude montre également le potentiel de ces systèmes biohybrides pour des applications industrielles, par exemple leur intégration à des centrales thermiques pour la capture et l’utilisation du CO₂.
Points forts de la recherche
- Stratégie innovante : Proposition d’une stratégie biohybride découplée du solaire permettant, par l’association d’un photocatalyseur persistant et d’un micro-organisme photosynthétique, le découplage des réactions de lumière et d’obscurité.
- Photocatalyseur performant : Grâce à l’ingénierie des défauts et au dopage au Ni, l’efficacité de stockage de l’hydrogène et de conversion de l’énergie lumineuse du photocatalyseur est nettement améliorée.
- Large applicabilité : Cette stratégie ne se limite pas à R. palustris, mais peut être appliquée à d’autres micro-organismes photosynthétiques comme Synechocystis, démontrant ainsi une grande polyvalence.
- Potentiel d’application industrielle : La recherche offre une nouvelle trajectoire technologique pour la capture et l’utilisation du CO₂, avec une forte valeur ajoutée industrielle.
Autres informations précieuses
Les chercheurs ont aussi validé, par une évaluation du cycle de vie (LCA), les avantages environnementaux et économiques du système biohybride, prouvant qu’il peut considérablement réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d’énergie tout en diminuant les coûts de production. De plus, l’équipe a exploré le potentiel de ce système dans des environnements extrêmes (comme l’espace), élargissant encore ses champs d’application.
Cette étude, grâce à une stratégie biohybride innovante, offre un nouveau chemin technologique pour l’utilisation durable de l’énergie et la séquestration du CO₂, avec une valeur scientifique et des implications pratiques significatives.