Le processus biochimique par lequel les cyanobactéries acquièrent des nutriments à partir des roches du désert d’Atacama au Chili a inspiré les ingénieurs de l’Université de Californie à Irvine à réfléchir à de nouvelles façons dont les microbes pourraient aider les humains à construire des colonies sur la lune et sur Mars.
Des chercheurs du Département de science et d’ingénierie des matériaux de l’UCI et du Département de biologie de l’Université Johns Hopkins ont utilisé la microscopie électronique à haute résolution et des techniques d’imagerie spectroscopique avancées pour acquérir une compréhension précise de la façon dont les micro-organismes modifient à la fois les minéraux naturels et les nanocéramiques synthétiques. Un facteur clé, selon les scientifiques, est que les cyanobactéries produisent des biofilms qui dissolvent les particules d’oxyde de fer magnétique dans les roches de gypse, transformant ensuite la magnétite en hématite oxydée.
Les découvertes de l’équipe, qui font l’objet d’un article publié récemment dans la revue Matériaux Aujourd’hui Bio, pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de minage biomimétique. Les auteurs ont également déclaré qu’ils considéraient les résultats comme une étape vers l’utilisation de micro-organismes dans l’impression 3D à grande échelle ou la fabrication additive à une échelle utile en génie civil dans des environnements difficiles, comme ceux de la Lune et de Mars.
« Grâce à un processus biologique qui a évolué sur des millions d’années, ces minuscules mineurs creusent des roches, extrayant les minéraux essentiels aux fonctions physiologiques, telles que la photosynthèse, qui permettent leur survie », a déclaré l’auteur correspondant David Kisailus, professeur de matériaux à l’UCI. sciences et ingénierie. « Les humains pourraient-ils utiliser une approche biochimique similaire pour obtenir et manipuler les minéraux que nous trouvons précieux ? Ce projet nous a conduits dans cette voie. »
Le désert d’Atacama est l’un des endroits les plus secs et les plus inhospitaliers de la planète, mais Chroococcidiopsisune cyanobactérie trouvée dans des échantillons de gypse collectés là-bas par l’équipe de Johns Hopkins, a développé « les adaptations les plus étonnantes pour survivre à son habitat rocheux », a déclaré la co-auteure Jocelyne DiRuggiero, professeure agrégée de biologie à l’université de Baltimore.
« Certaines de ces caractéristiques incluent la production de chlorophylle qui absorbe les photons rouges lointains et la capacité d’extraire l’eau et le fer des minéraux environnants », a-t-elle ajouté.
À l’aide de microscopes électroniques avancés et d’instruments spectroscopiques, les chercheurs ont trouvé des preuves de la présence de microbes dans le gypse en observant comment les minéraux contenus à l’intérieur étaient transformés.
« Les cellules de cyanobactéries ont favorisé la dissolution de la magnétite et la solubilisation du fer en produisant d’abondantes substances polymères extracellulaires, conduisant à la dissolution et à l’oxydation de la magnétite en hématite », a déclaré DiRuggiero. « Production de sidérophores [iron-binding compounds generated by bacteria and fungi] a été renforcée en présence de nanoparticules de magnétite, suggérant leur utilisation par les cyanobactéries pour acquérir du fer à partir de magnétite. »
Kisailus a déclaré que la façon dont les micro-organismes traitent les métaux dans leur maison désolée l’a fait réfléchir à nos propres pratiques d’extraction et de fabrication.
« Lorsque nous extrayons des minéraux, nous nous retrouvons souvent avec des minerais qui peuvent présenter des défis pour l’extraction de métaux précieux », a-t-il déclaré. « Nous devons fréquemment soumettre ces minerais à un traitement extrême pour les transformer en quelque chose de valeur. Cette pratique peut être financièrement et écologiquement coûteuse. »
Kisailus a déclaré qu’il réfléchissait maintenant à une approche biochimique utilisant des analogues naturels ou synthétiques des sidérophores, des enzymes et d’autres sécrétions pour manipuler les minéraux là où seul un grand concasseur mécanique fonctionne actuellement. Et faisant un bond à partir de là, il a dit qu’il pourrait également y avoir un moyen d’amener les micro-organismes à utiliser des capacités biochimiques similaires pour produire un matériau d’ingénierie à la demande dans des endroits moins que pratiques.
« Je l’appelle ‘formation lunaire’ au lieu de terraformation », a déclaré Kisailus. « Si vous voulez construire quelque chose sur la lune, au lieu de faire appel à des gens pour le faire, nous pourrions avoir des supports d’impression 3D de systèmes robotiques, puis demander aux microbes de le reconfigurer en quelque chose de valeur. Cela pourrait être fait sans mettre en danger des vies humaines. »
Il a ajouté que les humains n’ont pas toujours besoin d’utiliser des approches edisoniennes pour comprendre comment faire les choses.
« C’est le thème principal de mon laboratoire de biomimétique et de matériaux nanostructurés. Pourquoi essayer de réinventer la roue alors que la nature l’a perfectionnée pendant des centaines de millions d’années ? » dit Kisailus. « Nous devons juste extraire les secrets et les plans de ce que fait la nature et les appliquer ou les adapter à ce dont nous avons besoin. »
Plus d’information:
Wei Huang et al, Acquisition du fer et transformation minérale par les cyanobactéries vivant dans des environnements extrêmes, Matériaux Aujourd’hui Bio (2022). DOI : 10.1016/j.mtbio.2022.100493