De mystérieuses bactéries fabriquant des fils électriques

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Pour Lars Peter Nielsen, tout a commencé avec la mystérieuse disparition du sulfure d'hydrogène. Le microbiologiste a collecté la boue noire et malodorante du fond du port d'Aarhus au Danemark, l'a jetée dans de grands béchers en verre et a inséré des microcapteurs spéciaux qui ont détecté des changements dans la composition chimique de la boue.

Au début de l'expérience, la composition était saturée de sulfure d'hydrogène - la source de l'odeur et de la couleur du sédiment. Mais 30 jours plus tard, une bande de saleté est devenue pâle, ce qui indique la perte de sulfure d'hydrogène. Finalement, les microcapteurs ont montré que toute la connexion avait disparu. Compte tenu de ce que les scientifiques savaient sur la biogéochimie de la boue, se souvient Nielsen de l'Université d'Aarhus, "cela n'avait aucun sens".

La première explication, a-t-il dit, était que les capteurs étaient erronés. Mais la raison s'est avérée beaucoup plus étrange: les bactéries qui relient les cellules créent des câbles électriques qui peuvent conduire le courant jusqu'à 5 centimètres à travers la saleté.

Une adaptation jamais vue auparavant chez les microbes permet à ces bactéries dites câbles de surmonter un problème majeur auquel sont confrontés de nombreux organismes vivant dans la boue: le manque d'oxygène. Son absence empêche généralement les bactéries de métaboliser des composés tels que le sulfure d'hydrogène pour l'alimentation. Mais les câbles, en liant les microbes aux dépôts riches en oxygène, leur permettent de réagir sur de longues distances.

Lorsque Nielsen a décrit la découverte pour la première fois en 2009, ses collègues étaient sceptiques. Philip Meisman, ingénieur chimiste à l'Université d'Anvers, se souvient avoir pensé: « C'est un non-sens complet. Oui, les chercheurs savaient que les bactéries pouvaient conduire l'électricité, mais pas aux distances suggérées par Nielsen. "C'était comme si nos propres processus métaboliques pouvaient affecter une distance de 18 kilomètres", explique le microbiologiste Andreas Teske de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.

Mais plus les chercheurs cherchaient de la boue « électrifiée », plus ils la trouvaient dans l'eau salée et l'eau douce. Ils ont également identifié un deuxième type de microbe électrique aimant la saleté: les bactéries à nanofils, des cellules individuelles qui développent des structures protéiques capables de déplacer des électrons sur de plus courtes distances.

Ces microbes nanofilaires se retrouvent partout, y compris dans la bouche humaine

Les découvertes obligent les chercheurs à réécrire les manuels; repenser le rôle des bactéries de la boue dans le traitement d'éléments clés tels que le carbone, l'azote et le phosphore; et examiner comment ils affectent les écosystèmes aquatiques et le changement climatique.

Les scientifiques recherchent également des applications pratiques, explorant le potentiel des bactéries contenant des câbles et des nanofils pour lutter contre la pollution et alimenter les appareils électroniques. "Nous voyons beaucoup plus d'interactions au sein des microbes et entre les microbes utilisant l'électricité", explique Meisman. "Je l'appelle la biosphère électrique."

La plupart des cellules se développent en prenant des électrons d'une molécule, un processus appelé oxydation, et en les transférant à une autre molécule, généralement de l'oxygène, appelée réduction. L'énergie tirée de ces réactions régit d'autres processus de la vie. Dans les cellules eucaryotes, y compris la nôtre, de telles réactions "redox" se produisent sur la membrane interne des mitochondries, et les distances entre elles sont minuscules - seulement quelques micromètres. C'est pourquoi tant de chercheurs étaient sceptiques quant à l'affirmation de Nielsen selon laquelle les bactéries du câble déplacent les électrons à travers une couche de saleté de la taille d'une balle de golf.

La disparition du sulfure d'hydrogène a été la clé pour le prouver. Les bactéries forment un composé dans la boue, décomposant les débris végétaux et autres matières organiques; dans les dépôts plus profonds, le sulfure d'hydrogène s'accumule en raison du manque d'oxygène, ce qui aide d'autres bactéries à le décomposer. Cependant, le sulfure d'hydrogène a encore disparu dans les béchers de Nielsen. De plus, une teinte rouille est apparue à la surface de la saleté, ce qui indiquait la formation d'oxyde de fer.

En se réveillant une nuit, Nielsen a proposé une explication étrange: et si des bactéries enfouies dans la boue complétaient la réaction d'oxydoréduction, contournant d'une manière ou d'une autre les couches pauvres en oxygène ? Et si, à la place, ils utilisaient l'abondante réserve de sulfure d'hydrogène comme donneur d'électrons, puis dirigeaient les électrons vers la surface riche en oxygène ? Là, dans le processus d'oxydation, de la rouille se forme si du fer est présent.

Trouver ce qui transporte ces électrons s'est avéré difficile. Tout d'abord, Niels Riesgaard-Petersen de l'équipe de Nielsen a dû écarter une possibilité plus simple: les particules métalliques dans les sédiments transportent des électrons à la surface et provoquent une oxydation. Il a accompli cela en insérant une couche de billes de verre qui ne conduisent pas l'électricité dans un pilier de saleté. Malgré cet obstacle, les chercheurs ont tout de même trouvé un courant électrique se déplaçant dans la boue, suggérant que les particules métalliques n'étaient pas conductrices.

Pour voir si un câble ou un fil transportait des électrons, les chercheurs ont ensuite utilisé du fil de tungstène pour faire une coupe horizontale à travers la colonne de boue. Le courant s'est éteint, comme si un fil avait été coupé. D'autres travaux ont réduit la taille du conducteur, suggérant qu'il devrait avoir au moins 1 micromètre de diamètre. "C'est la taille normale des bactéries", explique Nielsen.

En fin de compte, les micrographies électroniques ont révélé un candidat probable: de longues et fines fibres bactériennes qui sont apparues dans une couche de billes de verre insérées dans des béchers remplis de boue du port d'Aarhus. Chaque filament se composait d'un empilement de cellules - jusqu'à 2 000 - enfermées dans une membrane externe nervurée. Dans l'espace entre cette membrane et les alvéoles empilées les unes sur les autres, une pluralité de "fils" parallèles tendaient le fil sur toute sa longueur. L'apparence semblable à un câble a inspiré le nom commun du microbe.

Meisman, un ancien sceptique, s'est rapidement converti. Peu de temps après que Nielsen a annoncé sa découverte, Meismann a décidé d'enquêter sur l'un de ses propres échantillons de boue marine. « J'ai remarqué les mêmes changements de couleur dans les sédiments qu'il a vus », se souvient Meisman. "C'était la direction de Mère Nature de le prendre plus au sérieux."

Son équipe a commencé à développer des outils et des méthodes pour la recherche microbienne, travaillant parfois en collaboration avec le groupe de Nielsen. C'était dur. Les filaments bactériens ont tendance à se détériorer rapidement après l'isolement, et les électrodes standard pour mesurer les courants dans les petits conducteurs ne fonctionnent pas. Mais une fois que les chercheurs ont appris à choisir un seul brin et à attacher rapidement une électrode individuelle, « nous avons constaté une conductivité très élevée », explique Meisman. Les câbles sous tension ne peuvent pas rivaliser avec les fils de cuivre, a-t-il déclaré, mais ils correspondent aux conducteurs utilisés dans les panneaux solaires et les écrans de téléphones portables, ainsi qu'aux meilleurs semi-conducteurs organiques.

Les chercheurs ont également analysé l'anatomie des bactéries du câble. À l'aide de bains chimiques, ils ont isolé la coque cylindrique, constatant qu'elle contenait 17 à 60 fibres parallèles collées ensemble à l'intérieur. La coquille est la source de conduction, ont rapporté Meisman et ses collègues l'année dernière dans Nature Communications. Sa composition exacte est encore inconnue, mais il pourrait être à base de protéines.

«C'est un organisme complexe», explique Nielsen, qui dirige désormais le Centre d'électro-microbiologie, créé en 2017 par le gouvernement danois. Parmi les problèmes que le centre résout figure la production de masse de microbes en culture. « Si nous avions une culture pure, ce serait beaucoup plus facile » de tester des idées sur le métabolisme cellulaire et l'effet de l'environnement sur la conduction, explique Andreas Schramm du centre. Les bactéries cultivées permettront également d'isoler plus facilement les fils de câbles et de tester les applications potentielles de bioremédiation et de biotechnologie.

Alors que les chercheurs s'interrogent sur les bactéries présentes dans le câble, d'autres se penchent sur un autre acteur majeur de la boue électrique: des bactéries à base de nanofils qui, au lieu de plier les cellules en câbles, font croître des fils protéiques de 20 à 50 nm de longueur à partir de chaque cellule.

Comme pour les bactéries du câble, la composition chimique mystérieuse des dépôts a conduit à la découverte de microbes à nanofils. En 1987, le microbiologiste Derek Lovley, maintenant à l'Université du Massachusetts à Amherst, a tenté de comprendre comment le phosphate des eaux usées d'engrais - un nutriment qui favorise la prolifération d'algues - est libéré des sédiments sous la rivière Potomac à Washington, DC. travaillé et a commencé à les arracher de la terre. Après en avoir cultivé un, maintenant appelé Geobacter Metallireducens, il a remarqué (sous un microscope électronique) que la bactérie avait développé des liaisons avec des minéraux de fer à proximité. Il soupçonna que des électrons étaient transportés le long de ces fils et finit par comprendre que Geobacter avait orchestré des réactions chimiques dans la boue, oxydant les composés organiques et transférant des électrons aux minéraux. Ces minéraux réduits libèrent alors du phosphore et d'autres éléments.

Comme Nielsen, Lovely a fait face au scepticisme lorsqu'il a décrit pour la première fois son microbe électrique. Aujourd'hui, cependant, lui et d'autres ont enregistré près d'une douzaine de types de microbes à nanofils, les trouvant dans des environnements autres que la saleté. Beaucoup transportent des électrons vers et depuis des particules dans les sédiments. Mais certains comptent sur d'autres microbes pour recevoir ou stocker des électrons. Ce partenariat biologique permet aux deux microbes de "s'engager dans de nouveaux types de chimie qu'aucun organisme ne peut faire seul", explique Victoria Orfan, géobiologiste au California Institute of Technology. Alors que les bactéries du câble résolvent leurs besoins redox en étant transportées sur de longues distances dans la boue oxygénée, ces microbes dépendent du métabolisme des autres pour répondre à leurs besoins redox.

Certains chercheurs débattent encore de la façon dont les nanofils bactériens conduisent les électrons. Lovley et ses collègues sont convaincus que la clé réside dans des chaînes de protéines appelées pilines, constituées d'acides aminés circulaires. Lorsque lui et ses collègues ont réduit la quantité d'acides aminés annelés dans la piline, les nanofils sont devenus moins conducteurs. "C'était vraiment incroyable", dit Lovely, car il est généralement admis que les protéines sont des isolants. Mais d'autres pensent que cette question est loin d'être résolue. Orphan, par exemple, dit que même s'il existe des preuves accablantes… je ne pense toujours pas que [la conduction du nanofil] soit bien comprise.

Ce qui est clair, c'est que les bactéries électriques sont partout. En 2014, par exemple, des scientifiques ont découvert des bactéries de câble dans trois habitats très différents de la mer du Nord: dans un marais salé par les marées, dans un bassin de fond marin où les niveaux d'oxygène chutent à presque zéro à certaines saisons et dans une plaine boueuse inondée près de la mer. … rive. (Ils ne les ont pas trouvés dans une zone sablonneuse habitée par des vers qui brassent les sédiments et perturbent les câbles.) Ailleurs, les chercheurs ont trouvé des preuves ADN de bactéries de câble dans des bassins océaniques profonds et pauvres en oxygène, des sources chaudes et des conditions froides. les déversements, les mangroves et les bancs de marée dans les régions tempérées et subtropicales.

Les bactéries du câble se trouvent également dans les environnements d'eau douce. Après avoir lu les articles de Nielsen en 2010 et 2012, une équipe dirigée par le microbiologiste Rainer Meckenstock a réexaminé les carottes de sédiments forées lors d'une enquête sur la contamination des eaux souterraines à Düsseldorf, en Allemagne. "Nous avons trouvé [les bactéries du câble] exactement là où nous pensions les trouver", à des profondeurs où l'oxygène était épuisé, se souvient Mekenstock, qui travaille à l'Université de Duisburg-Essen.

Les bactéries nanofilaires sont encore plus répandues. Les chercheurs les ont trouvés dans les sols, les rizières, les entrailles profondes et même les usines de traitement des eaux usées, ainsi que dans les sédiments d'eau douce et marins. Ils peuvent exister partout où des biofilms se forment, et l'omniprésence des biofilms est une preuve supplémentaire du grand rôle que ces bactéries peuvent jouer dans la nature.

La grande variété de bactéries des boues électriques suggère également qu'elles jouent un rôle important dans les écosystèmes. Par exemple, en empêchant l'accumulation de sulfure d'hydrogène, les bactéries des câbles rendent probablement la saleté plus habitable pour d'autres formes de vie. Meckenstock, Nielsen et d'autres les ont trouvés sur ou à proximité des racines d'herbes marines et d'autres plantes aquatiques qui libèrent de l'oxygène, que les bactéries utilisent probablement pour décomposer le sulfure d'hydrogène. Ceci, à son tour, protège les plantes du gaz toxique. Le partenariat "semble très caractéristique des plantes aquatiques", a déclaré Meckenstock.

Robert Aller, biogéochimiste marin à l'Université Stony Brook, pense que les bactéries peuvent également aider de nombreux invertébrés sous-marins, y compris les vers qui construisent des terriers qui permettent à l'eau oxygénée de pénétrer dans la boue. Il a trouvé des bactéries de câble collées sur les côtés des tubes à vis sans fin, probablement pour pouvoir utiliser cet oxygène pour stocker des électrons. À leur tour, ces vers sont protégés du sulfure d'hydrogène toxique. "Les bactéries rendent [le terrier] plus vivable", explique Aller, qui a décrit les liens dans un article de juillet 2019 dans Science Advances.

Les microbes modifient également les propriétés de la saleté, explique Saira Malkin, écologiste au Center for Environmental Sciences de l'Université du Maryland. "Ils sont particulièrement efficaces… des ingénieurs de l'écosystème." Les bactéries des câbles « poussent comme une traînée de poudre », dit-elle; Sur les récifs d'huîtres de marée, a-t-elle découvert, un centimètre cube de boue peut contenir 2 859 mètres de câbles qui cimentent les particules en place, rendant peut-être les sédiments plus résistants aux organismes marins.

La bactérie modifie également la chimie de la saleté, rendant les couches plus proches de la surface plus alcalines et les couches plus profondes plus acides, a découvert Malkin. De tels gradients de pH peuvent affecter "de nombreux cycles géochimiques", y compris ceux associés à l'arsenic, au manganèse et au fer, a-t-elle déclaré, créant des opportunités pour d'autres microbes.

Parce que de vastes étendues de la planète sont couvertes de boue, selon les chercheurs, les bactéries associées aux câbles et aux nanofils sont susceptibles d'avoir un impact sur le climat mondial. Les bactéries à nanofils, par exemple, peuvent prélever des électrons sur des matières organiques comme les diatomées mortes, puis les transmettre à d'autres bactéries qui produisent du méthane, un puissant gaz à effet de serre. Dans diverses circonstances, les bactéries du câble peuvent réduire la production de méthane.

Dans les années à venir, « nous verrons une large reconnaissance de l'importance de ces microbes pour la biosphère », déclare Malkin. Un peu plus de dix ans après que Nielsen a remarqué la mystérieuse disparition du sulfure d'hydrogène de la boue d'Aarhus, il déclare: « C'est vertigineux de penser à ce à quoi nous avons affaire ici.

Prochaine étape: un téléphone alimenté par des fils microbiens ?

Les pionniers des microbes électriques ont rapidement réfléchi à la manière d'utiliser ces bactéries."Maintenant que nous savons que l'évolution a été capable de créer des fils électriques, il serait dommage que nous ne les utilisions pas", déclare Lars Peter Nielsen, microbiologiste à l'Université d'Aarhus.

Une application possible est la détection et le contrôle des polluants. Les microbes des câbles semblent prospérer en présence de composés organiques comme le pétrole, et Nielsen et son équipe testent la possibilité que l'abondance des bactéries des câbles signale la présence d'une pollution non découverte dans les aquifères. Les bactéries ne dégradent pas directement l'huile, mais elles peuvent oxyder le sulfure produit par d'autres bactéries huileuses. Ils peuvent également aider à nettoyer; les précipitations récupèrent plus rapidement de la contamination par le pétrole brut lorsqu'elles sont colonisées par des bactéries du câble, a rapporté un autre groupe de recherche en janvier dans la revue Water Research. En Espagne, une troisième équipe étudie si les bactéries des nanofils peuvent accélérer le nettoyage des zones humides polluées. Et avant même que les bactéries à base de nanofils ne soient électriques, elles ont montré la promesse de décontaminer les déchets nucléaires et les aquifères contaminés par des hydrocarbures aromatiques tels que le benzène ou le naphtalène.

Les bactéries électriques peuvent également donner naissance à de nouvelles technologies. Ils peuvent être génétiquement modifiés pour modifier leurs nanofils, qui peuvent ensuite être coupés pour former l'épine dorsale de capteurs portables sensibles, selon Derek Lovley, microbiologiste à l'Université du Massachusetts (UMass), Amherst. "Nous pouvons concevoir des nanofils et les adapter pour lier spécifiquement les composés d'intérêt." Par exemple, dans le numéro Lovely du 11 mai de Nano Research, l'ingénieur UMass Jun Yao et leurs collègues ont décrit un capteur à base de nanofils qui détecte l'ammoniac aux concentrations nécessaires pour les applications agricoles, industrielles, environnementales et biomédicales.

Créés sous forme de film, les nanofils peuvent générer de l'électricité à partir de l'humidité de l'air. Les chercheurs pensent que le film génère de l'énergie lorsqu'un gradient d'humidité se produit entre les bords supérieur et inférieur du film. (Le bord supérieur est plus sensible à l'humidité.) Lorsque les atomes d'hydrogène et d'oxygène de l'eau se séparent en raison du gradient, une charge est générée et des électrons circulent. Yao et son équipe ont rapporté dans Nature le 17 février qu'un tel film pourrait créer suffisamment d'énergie pour allumer une diode électroluminescente, et 17 de ces appareils connectés ensemble pourraient alimenter un téléphone mobile. L'approche est « une technologie révolutionnaire pour générer de l'énergie renouvelable, propre et bon marché », explique Qu Lianti, un scientifique des matériaux à l'Université Tsinghua. (D'autres sont plus prudents, notant que les tentatives passées pour extraire l'énergie de l'humidité à l'aide de graphène ou de polymères ont échoué.)

En fin de compte, les chercheurs espèrent exploiter les capacités électriques des bactéries sans avoir à faire face à des microbes pointilleux. Catch, par exemple, a persuadé la bactérie commune de laboratoire et industrielle Escherichia coli de fabriquer des nanofils. Cela devrait permettre aux chercheurs de produire plus facilement les structures et d'étudier leurs applications pratiques.