Les microalgues, notamment les cyanobactéries et les algues vertes, représentent les systèmes biologiques les plus importants pour la production de biomasse et de produits de grande valeur. On estime que les microalgues peuvent fixer environ 90 milliards de tonnes de dioxyde de carbone par an, ce qui représente plus de 40 % de la fixation photosynthétique nette mondiale du carbone.
Avec l’intensification du réchauffement climatique et la proposition d’un double objectif de réduction des émissions de carbone par la Chine, le rôle de la photosynthèse des microalgues attire de plus en plus l’attention. L’exploitation de l’énergie photosynthétique des microalgues constitue donc une approche prometteuse de la transition énergétique vers le pic carbone et la neutralité.
Cependant, l’efficacité de la conversion photosynthétique constitue une limitation majeure de la production de biocarburant à base de microalgues. En général, seulement 4 à 8 % environ de l’énergie lumineuse peut être convertie en énergie chimique sous forme de biomasse (le maximum théorique est de 9 %). Par conséquent, la production de microalgues pour les biocarburants ne peut pas répondre aux besoins énergétiques humains.
Le génie génétique et le génie métabolique peuvent être utilisés pour améliorer l’efficacité de la conversion photosynthétique de la production de microalgues, mais ces méthodes nécessitent une opération compliquée et un coût élevé avec un champ d’application restreint.
Dans la nature, les organismes peuvent former des matériaux composites organiques-inorganiques dotés de structures complexes et d’excellentes propriétés biologiques grâce à la biominéralisation, comme les os, les dents et les coquilles. Ces biomatériaux ont une structure hiérarchique hautement ordonnée, de l’échelle nanométrique à l’échelle macro, qui peut fournir aux organismes des fonctions telles que le support mécanique, la protection, le mouvement et la détection de signaux.
Dans le contexte du phénomène naturel de biominéralisation, l’hybride cellule-matériau artificiel suscite un intérêt croissant pour la chimie verte et les biomatériaux vivants modifiés. Afin d’exploiter l’énergie photosynthétique des microalgues, les scientifiques ont eu l’idée d’interfacer les organismes photosynthétiques naturels avec des matériaux synthétiques afin de conférer à ces organismes de nouvelles propriétés.
Le professeur Wei Xiong de l’Université de Nanchang (NCU) et le professeur Ruikang Tang de l’Université du Zhejiang (ZJU) ont défini le biomorphe généré artificiellement comme un hybride microalgue-matériau (MMH), principalement basé sur des interactions à micro-échelle, telles que des liaisons chimiques ou des interactions non covalentes. Leurs recherches sont publié dans la revue Revue scientifique nationale.
Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont exploré trois approches matérielles pour construire le MMH : (i) l’immobilisation cellulaire, (ii) la shellisation unicellulaire, (iii) l’agrégation multicellulaire.
Les MMH ont réalisé des réalisations considérables, notamment la fixation du CO2, la production de H2, la conversion d’énergie bioélectrochimique et la thérapie biomédicale. Il s’ensuit que la MMH pour la régulation biologique devient un domaine émergent.
Le problème central du MMH est l’interaction microalgues-matériau. Il existe deux niveaux de signification dans l’interaction microalgues-matériau ; l’un est la construction d’un hybride microalgues-matériau induite par les matériaux, et l’autre est l’amélioration de la fonction des microalgues grâce aux matériaux.
Du point de vue de la construction du MMH, le mécanisme chimique est celui des microalgues combinées au matériau par le biais de forces intermoléculaires, de liaisons covalentes ou de liaisons coordonnées pour former l’interface biotique-abiotique, et les matériaux affectent les fonctions des microalgues en interférant avec le transfert de matière et d’énergie entre les microalgues et le milieu extracellulaire.
Les matériaux inorganiques se combinent avec les cellules de microalgues principalement par le biais de liaisons de coordination et de forces intermoléculaires, tandis que les matériaux organiques se combinent avec les cellules de microalgues principalement par le biais de liaisons covalentes et de forces intermoléculaires. Outre la construction du MMH, l’interaction microalgues-matériau dans la structure hybride constitue le problème le plus critique.
Sur la base des études précédentes, les chercheurs proposent deux mécanismes d’amélioration de la fonction des microalgues grâce au matériau. L’un est le transfert d’électrons microalgues-matériau ; l’autre est la transformation du microenvironnement cellulaire induite par le matériau.
À l’heure actuelle, la principale limitation des MMH pour la conversion d’énergie photosynthétique est le faible rendement de conversion d’énergie, ce qui rend difficile leur application pratique en matière de neutralité carbone. En outre, le coût élevé de la culture de microalgues et le manque de technologie matérielle adaptée à l’ingénierie à grande échelle des microalgues sont également des facteurs limitants importants pour une application pratique. À l’avenir, l’amélioration de l’efficacité de la conversion énergétique constitue l’objectif général de la recherche fondamentale.
MMH offre des opportunités pour stimuler la recherche sur les semi-biohybrides et inspire de manière synchrone l’étude de la manipulation des interfaces biotiques-abiotiques. La recherche dans ce domaine peut non seulement promouvoir l’application de la chimie et des matériaux aux sciences biologiques, mais également ouvrir de nouvelles perspectives aux sciences biologiques et environnementales. De plus, ce domaine de recherche pourrait donner naissance à une nouvelle discipline, qui pourrait être nommée biologie matérielle.
Une fois que l’efficacité de la conversion d’énergie photosynthétique est atteinte, les MMH peuvent grandement promouvoir les applications de fixation photosynthétique du CO2 et de production de H2. Enfin, il y a des raisons suffisantes de croire que l’application d’un hybride microalgues-matériau contribuera grandement à l’atteinte de la neutralité carbone.
Plus d’information:
Wei Xiong et al, Hybride microalgues-matériaux pour une conversion améliorée de l’énergie photosynthétique : une voie prometteuse vers la neutralité carbone, Revue scientifique nationale (2023). DOI : 10.1093/nsr/nwad200