Des bactéries comme source d'électricité

Le professeur Ardemis Boghossian et son équipe de l'EPFL ont cultivé des bactéries polyvalentes qui produisent de l'électricité. Ils se sont inspirés de microbes exotiques qui produisent de l'électricité par eux-mêmes grâce à des voies métaboliques spéciales.

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Grâce aux travaux de recherche de la professeure de l'EPFL, la machinerie moléculaire de production d'électricité fonctionne désormais aussi dans la bactérie Escherichia coli (en abrégé E. coli). La bactérie intestinale "électrifiée" est extrêmement flexible et pourrait par exemple être utilisée dans de nouvelles piles à combustible, pour le traitement des eaux usées ou comme biocapteur, comme l'explique Ardemis Boghossian dans une interview. "Il n'y a presque pas de limites à ce que nous pouvons faire avec les microbes !"

Pourquoi les microbes produisent-ils de l'électricité dans la nature ?

Ardemis Boghossian : Les besoins des bactéries sont en fait très similaires aux nôtres. Elles doivent également absorber de la matière organique, comme du sucre, pour produire de l'énergie. Ce processus génère des électrons dont les microbes doivent se débarrasser pour ne pas mourir. Une possibilité est de céder ces électrons à l'oxygène. Or, les bactéries dont il est question ici vivent dans des conditions anaérobies, c'est-à-dire sans oxygène. Elles ont besoin d'une autre option et ont développé un mécanisme très particulier. Elles cèdent leurs électrons aux métaux présents dans l'environnement. Ce faisant, ils produisent de l'électricité. Non pas pour une utilité particulière, mais comme sous-produit.

Pourquoi ne travaillez-vous pas directement avec ces microbes, mais avec des bactéries E. coli ?

E. coli est en fait une bactérie intestinale. Mais elle est aussi établie depuis longtemps dans la science comme organisme modèle, donc très bien étudiée et facile à manipuler. J'ai toujours travaillé avec E. coli dans mes projets. Dans ce cas, il ne s'agissait pas d'une application définitive, mais seulement de faire fonctionner le projet. Mais ensuite, nous avons vu que E. coli avait de réels avantages. Il peut se développer sur différents substrats, et donc utiliser des sources de nourriture très différentes. Nous avons comparé cette capacité à celle des microbes naturels en cultivant les deux microbes dans les eaux usées d'une brasserie de Lausanne. E. coli était heureux, alors que l'organisme naturel était très sélectif - et a péri. Peut-être qu'il manquait une source de nourriture ou qu'un autre facteur, comme le pH, ne convenait pas.

Vous avez intégré la machinerie de production d'électricité à partir de ces microbes dans E. coli. Comment peut-on se l'imaginer ?

Le vélo électrique est peut-être une image parlante : on veut un vélo qui puisse produire de l'électricité - et on y ajoute des pièces de moteur. Nous avons donc pris des protéines de microbes naturellement électriques et les avons transférées à E. coli. C'était très compliqué, mais cela a fonctionné - et a soulevé une question importante. Ce n'est pas la bactérie qui a besoin d'électricité, mais nous, les humains. Du point de vue de E. coli, la production d'électricité est donc un gaspillage d'énergie qui pourrait être utilisé autrement. Le microbe arrêterait-il donc tout simplement la voie métabolique en question avec le temps ? Nos tests nous ont toutefois réservé une surprise. Il semble que E. coli se développe mieux dans un environnement sans oxygène avec de l'électricité que sans. Il est donc possible que le mécanisme soit avantageux dans certaines conditions.

Quelles applications pourraient fournir les E.coli électriques ?

Vu la diversité des domaines d'application, je ne vois pas vraiment de limite. Actuellement, les applications dans le secteur de l'énergie, dans les techniques environnementales et dans l'industrie chimique sont particulièrement intéressantes. Une application décisive est bien sûr la production d'électricité. Lorsqu'il s'agit d'allumer une lampe, les microbes ne sont pas assez rapides pour produire suffisamment d'électricité. Ici aussi, nous aurons toujours besoin d'énergie stockée. Les microbes ne pourraient donc pas remplacer tout le système, mais ils pourraient être un complément important. Je pense qu'ils seraient en mesure de prendre en charge de nombreux processus existants - ce qui supprimerait en partie la production d'électricité. En fait, il s'agit pour l'instant d'une sorte d'étape intermédiaire. Nous produisons de l'électricité pour pouvoir ensuite l'utiliser à de nombreuses fins différentes. Les deux étapes sont séparées, nous devons donc stocker l'électricité pour une utilisation ultérieure. C'est encore un problème avec le photovoltaïque, par exemple. En revanche, les bactéries pourraient être utilisées pour des processus tels que le traitement des eaux usées - et elles produiraient en même temps de l'électricité. Ce serait une sorte d'économie circulaire.

Travaillez-vous avec votre groupe sur de telles applications pratiques ?

Ce domaine a un grand potentiel, c'est pourquoi deux chercheurs de mon équipe, le Dr Mohammed Mouhib et le Dr Melania Reggente, développent un prototype pour l'industrie alimentaire. Dans cette optique, nous travaillons à la création d'une start-up. Je vois là une opportunité de marché et c'est pourquoi je m'y accroche avec persévérance. Actuellement, les gens se contentent de déverser des déchets. Les eaux usées sont ensuite traitées dans les stations d'épuration, mais ne sont pas utilisées. Nous passons ainsi à côté d'une opportunité, car les microbes pourraient les utiliser. Et les bactéries en elles-mêmes sont bon marché. Il s'agit maintenant de trouver le capital nécessaire pour se lancer. Nous souhaitons également collaborer avec l'industrie alimentaire et mettre en service une installation pilote. Toutes les entreprises qui ont ce type d'eaux usées en profiteraient et pourraient réduire leur propre empreinte carbone. Mais il y a encore beaucoup d'autres idées, dont les biocapteurs. Nous pourrions cultiver des souches d'E. coli qui n'utiliseraient qu'un seul substrat, comme un produit chimique donné. Si elles produisent alors de l'électricité, ce serait un signal que la substance est présente - ce qui pourrait indiquer des contaminations.

Qu'est-ce qui a fait pencher la balance en faveur de l'EPFL comme environnement pour votre science ?

Depuis mon enfance, je m'intéresse aux bactéries ayant des capacités particulières, comme la production d'électricité. Mais je suis ingénieur chimiste. Pourquoi me donnerait-on de l'argent pour faire de la biologie ? En plus, mon projet était considéré comme très risqué. Mais à l'EPFL, il existe un financement spécifique pour ce type d'approche. Cela signifie que les idées sont testées et que les premiers résultats sont ensuite intégrés dans les candidatures pour d'autres subventions. En d'autres termes, l'EPFL m'a offert la possibilité d'être flexible. J'ai pu travailler en dehors de mon domaine de spécialisation et ainsi l'élargir. Et cela a beaucoup compté.

La technologie est très prometteuse. Quelle est l'ampleur de la concurrence ?

Ce n'est pas bon de travailler seul sur quelque chose, car cela peut signifier qu'il n'y a pas assez de potentiel. Lorsque j'ai commencé ce travail, il n'y avait pas vraiment de concurrence. Mais maintenant, certaines personnes nous suivent, et surtout de jeunes scientifiques basent leurs idées sur nos développements. Je trouve cela passionnant, car ils pensent différemment de moi et empruntent peut-être des voies très différentes. Je pense vraiment que le monde en profitera. Plus il y a de cerveaux qui se penchent sur un problème, mieux c'est.

Ardemis Boghossian est professeure assistante tenure track à l'Institute of Chemical Sciences and Engineering (ISIC) de l'EPFL depuis 2015. Elle a obtenu son Bachelor of Science in Engineering à l'Université du Michigan en 2007. En 2012, elle a obtenu un doctorat en génie chimique au Massachusetts Institute of Technology (MIT). En tant que post-doctorante au California Institute of Technology, elle a développé des cellules capables de former une interface électronique avec des électrodes. A l'EPFL, Boghossian poursuit une approche fortement interdisciplinaire entre la nanotechnologie et la biologie synthétique.

Des bactéries comme Geobacer sulfurreducens et Shewanella oneidensis dégradent les nutriments dans l'environnement et produisent ainsi de l'électricité. Ardemis Boghossian et son équipe ont pu transférer les voies de réaction pertinentes à cet effet à des bactéries E. coli, établissant ainsi un record. "C'était la première fois que cette voie métabolique était entièrement produite dans un microbe étranger et qu'elle produisait en plus de l'électricité de manière très efficace", explique Boghossian. Entre-temps, une étape supplémentaire a été franchie. Jusqu'à présent, les microbes devaient être en contact avec une électrode pour produire de l'électricité. Les nouvelles souches d'E. coli disposent de deux voies de réaction. Cela leur permet de générer de l'électricité même à distance - et les rend encore plus flexibles.

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