La production d’énergie propre et s’appuyant sur des ressources renouvelables est une des grands enjeux de notre siècle. Et là aussi, les protéine auront un rôle à jouer !

Un grand nombre de recherches autour de la production d’énergie concerne les piles à combustibles. Dans ces dispositifs, dont le principe a été découvert dans la première moitié du 19ème siècle, l’énergie chimique est convertie en énergie électrique. En pratique, on va coupler deux réactions chimiques, une à chacune des électrodes de la pile :

  • À l’anode, le pôle – de la pile, on réalise une réaction d’oxydation, qui va produire des électrons. Comme par exemple : H2 ⇒ 2H+ 2e
  • À la cathode, le pôle + de la pile, a lieu une réaction de réduction, qui va consommer les électrons produits à l’anode. Comme celle-ci : O+ 4e ⇒ 2O2-

Au final, le déplacement des électrons de l’anode vers la cathode produit le courant électrique, et dans notre exemple, le bilan global de la réaction est le suivant:

2H2 + O⇒ 2H2O

La pile va donc consommer du dihydrogène et du dioxygène (deux ressources renouvelables) et ne produire que de l’eau !

Néanmoins, pour être efficaces, les électrodes où se produisent ces réactions nécessitent l’utilisation de catalyseurs, souvent à base de métaux précieux comme le platine ou le manganèse. Mais ces matériaux sont rares, coûteux, et leur production est source de pollution. Certains groupes de recherche, comme l’équipe d’Élisabeth Lojou à Marseille,  ont donc décidé de s’inspirer du vivant pour développer de nouvelles biopiles où ce sont des enzymes qui tiennent le rôle de catalyseur. Bien sur, il convient de choisir celles-ci avec soin :

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  • À l’anode, on a sélectionné une hydrogènase (dont le nom vous indique qu’elle attaque justement l’hydrogène), mais pas n’importe laquelle ! Celle-ci provient d’Aquifex aeolicus, une bactérie hyperthermophile qui se développe à proximité des sources chaudes ou près des volcans marins, à des températures allant de 85°C à 95°C. Par conséquent les protéines produites par cette bactérie sont particulièrement adaptées pour resister aux fortes températures. Une caractéristique qui s’avère particulièrement utile au sein de la pile à combustible (où les réactions chimiques peuvent aussi entraîner un échauffement du milieu).
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L’hydrogénase d’A. aeolicus : la réaction de réduction du dihydrogène a lieu au coeur de la protéine, au niveau des atomes de nickel (en bleu) et de fer (en vert). Après quoi les électrons produits vont passer par les trois centres fer-soufre (en vert et jaune) pour sortir de la protéine.

 

  • À la cathode on utilise une oxydase (je vous laisse deviner avec quelle molécule elle va réagir…) qui peut être issue de Bacillus pumilus (une bactérie) ou Myrothecium verrucaria (une sorte de moisissure) et qui sera également thermostable.
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L’oxygenase de M. verruccaria (code pdb 2xll), la réduction du dioxygène se produit au niveau des trois atomes de cuivre centraux (en orange)

La question cruciale dans ce dispositif concerne la durée de vie des enzymes une fois que celles-ci ont été greffées sur les électrodes. Il faut également s’assurer de leur bonne orientation à la surface des électrodes, pour que les électrons, qui sont produit au niveau du site actif situé au coeur de la protéine, puissent rejoindre le plus vite possible l’électrode. Enfin, la fixation sur les électrodes des enzymes ne doit détériorer ni leur structure ni leur flexibilité, afin que celles-ci restent fonctionnelles au sein de la biopile.

Au final, les premiers prototypes permettent de produire des petits courants (de l’ordre d’un ampère par mg d’enzyme utilisé), et une de ces biopiles a pu alimenter un petit dispositif électrique durant plusieurs heures.

Bien sur on est encore loin de pouvoir rouler avec des voitures motorisées par des biopiles, mais qui sait ? Peut-être qu’un jour, à défaut de tigre nous mettrons des protéines dans notre moteur !

Pour en savoir plus Trois articles sur les biopiles à base de protéines, mais aussi à base de glucose :