Des années de recherche ont porté leurs fruits pour Ashleigh Kropp (à gauche) et Rhys Grinter, étudiants en doctorat.
La plupart d’entre nous n’en seront jamais témoins, mais les plus petits organismes de la planète disposent d’incroyables moyens de survie. Certaines bactéries du sol, par exemple, peuvent absorber l’hydrogène de l’air et l’utiliser comme carburant si elles sont privées de toute autre nourriture.
C’est précisément cette astuce microbiologique qui a mis les chercheurs de l’université Monash, en Australie, sur la voie de la localisation et de l’isolement d’une enzyme de Mycobacterium smegmatis qui traite l’hydrogène consommé et le restitue sous forme d’électricité. Cette enzyme pourrait être exploitée pour alimenter des appareils et des implants de petite taille.
« Nous savons depuis un certain temps que les bactéries peuvent utiliser les traces d’hydrogène dans l’air comme source d’énergie pour se développer et survivre, y compris dans les sols de l’Antarctique, les cratères volcaniques et les profondeurs de l’océan », explique Chris Greening, professeur de microbiologie à Monash et codirecteur de l’étude. « Mais jusqu’à présent, nous ne savions pas comment ils y parvenaient ».
Alors que l’hydrogène ne représente que 0,00005 % de l’atmosphère, cette enzyme isolée catalysant l’hydrogène, que l’équipe a appelée Huc, est capable de le consommer facilement. Bien que les bactéries éliminent chaque année 70 millions de tonnes d’hydrogène de l’air, la structure moléculaire de Huc permet à l’enzyme de diviser les molécules d’hydrogène pour former une chaîne de transport d’électrons, produisant essentiellement un circuit électrique dans la cellule.
« Huc est extraordinairement efficace », explique l’auteur principal Rhys Grinter, du Biomedicine Discovery Institute de l’université. « Contrairement à tous les autres enzymes et catalyseurs chimiques connus, il consomme même de l’hydrogène à des niveaux inférieurs à ceux de l’atmosphère, soit à peine 0,00005 % de l’air que nous respirons.
Cette découverte est l’aboutissement d’années de travail minutieux pour l’équipe
Il a fallu cinq ans et plusieurs impasses à l’équipe pour isoler Huc, mais une fois qu’elle y est parvenue, elle a été stupéfaite par de nombreux aspects de cette petite centrale.
« Ce processus comportait de nombreuses étapes différentes, et à chaque étape, nous avions l’impression de progresser, ce qui nous a permis de rester motivés », assure Rhys Grinter. « Lorsque nous avons finalement trouvé la méthode qui fonctionnait, il y a environ deux ans, nous étions très enthousiastes, car ce ne sont pas tous les projets de ce genre qui portent leurs fruits.
Huc offre un stockage extrêmement polyvalent et de longue durée, et est comme une batterie qui ne s’épuise jamais – tant qu’il y a ne serait-ce qu’une infime quantité d’hydrogène qui rebondit dans l’air.
« Il est étonnamment stable », a déclaré Ashleigh Kropp, candidate au doctorat et co-auteur de l’étude. « Il est possible de congeler l’enzyme ou de la chauffer à 80 °C, et elle conserve sa capacité à générer de l’énergie. Cela montre que cette enzyme aide les bactéries à survivre dans les environnements les plus extrêmes ».
Toutefois, il est un peu prématuré de se réjouir du succès commercial imminent de Huc. Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont généré qu’une petite quantité de charge à partir d’une quantité tout aussi petite d’enzyme.
Et bien que son utilisation pratique suggère que la première étape serait de viser à ce qu’elle serve de cellules de batterie pour de petits appareils, tels que des horloges, des globes LED ou de simples ordinateurs, Rhys Grinter pense qu’avec du temps, des fonds et une augmentation massive de la densité de l’enzyme, l’alimentation d’une voiture est une possibilité pour l’avenir.
« Personnellement, je ne pense pas que cela soit hors du domaine du possible », précise Rhys Grinter. « Le point essentiel ici est que l’énergie provient de l’hydrogène et que Huc agit comme un catalyseur pour sa conversion en électricité. Pour alimenter une voiture, il faudrait fournir une masse d’hydrogène suffisante pour fournir l’énergie nécessaire à son déplacement. Étant donné les propriétés de Huc que nous démontrons dans notre article, nous pensons qu’il pourrait être un catalyseur idéal pour effectuer cette conversion. Cependant, il faudrait beaucoup de développement technologique pour que cela devienne une réalité ».
Grâce à ce développement, l’équipe pense que la technologie basée sur le Huc devrait être en mesure de fournir une source d’énergie propre à un prix compétitif.
« La production de Huc est facilement extensible et peut être générée à partir d’ingrédients bruts simples et bon marché (par exemple, des produits agricoles à base de plantes), ce qui est comparable aux catalyseurs chimiques à base de platine coûteux pour la conversion de l’hydrogène », souligne Rhys Grinter. « Le coût de fabrication des piles à combustible contenant du Huc est inconnu à ce stade, mais il devrait être comparable à celui des dispositifs électriques de complexité similaire, ce qui pourrait les rendre économiquement viables.
Cette découverte montre également à quel point le financement de la recherche et du développement est essentiel dans tous les domaines scientifiques. Ce n’est certainement pas la première fois qu’une nouvelle découverte surprenante provient d’un autre domaine d’étude.
« Ce projet est né de la microbiologie environnementale, qui a permis des avancées majeures dans notre compréhension de la biochimie et qui, nous l’espérons, débouchera sur de nouvelles technologies », conclut Rhys Grinter. « Il est pratiquement impossible de prédire d’où viendra la prochaine percée. C’est pourquoi, d’une manière générale, le financement durable de travaux scientifiques de grande qualité dans toutes les disciplines est extrêmement important, tant pour créer de nouvelles connaissances que pour développer de nouvelles technologies utiles.
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05781-7
