L’humanité émet continuellement des gaz à effet de serre et aggrave ainsi le réchauffement climatique. Des efforts de recherche croissants visent à développer des stratégies pour convertir ces gaz, tels que le dioxyde de carbone (CO2), en produits de valeur. Le CO2 s’accumule considérablement au fil des années et est chimiquement très secure, ce qui rend sa transformation difficile.
Pourtant, depuis des milliards d’années, certains microbes captent activement le CO2 grâce à des enzymes très efficaces. Des scientifiques de l’Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême ainsi que des universités de Genève et de Radboud ont isolé l’une de ces enzymes. Lorsque l’enzyme a été ramifiée électroniquement sur une électrode, ils ont observé la conversion du CO2 en formiate avec une parfaite efficacité.
Ce phénomène inspirera de nouveaux systèmes de fixation du CO2 en raison de sa directionnalité et de ses taux remarquables. Les résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie.
À la recherche de micro-organismes capables de capter efficacement le gaz à effet de serre CO2
« Les enzymes utilisées par les micro-organismes représentent un terrain de jeu fantastique pour les scientifiques car elles permettent des réactions très spécifiques à des vitesses rapides », explique Tristan Wagner, responsable du groupe de recherche Max Planck sur le métabolisme microbien à l’Institut Max Planck de microbiologie marine (MPIMM).
Certaines de ces enzymes possèdent une manière intéressante de capter le CO2 : elles le transforment en formiate, un composé stable et sûr qui peut être utilisé pour stocker de l’énergie ou pour synthétiser diverses molécules à des fins industrielles ou pharmaceutiques. Un exemple est Mothermicoccus shengliensis, un méthanogène (un microbe produisant du méthane) isolé d’un champ pétrolifère et poussant à 50 °C. Il a été cultivé et étudié ces dernières années par Julia Kurth et Cornelia Welte à l’Université Radboud aux Pays-Bas.
À l’Institut Max Planck de microbiologie marine, Olivier Lemaire, Mélissa Belhamri et Tristan Wagner ont disséqué le microbe pour trouver son enzyme de seize du CO2 et mesurer sa rapidité et son efficacité à transformer le CO2.
Une enzyme de conversion du CO2 à fort potentiel
Les scientifiques de Max Planck ont entrepris la tâche difficile d’isoler l’enzyme microbienne. « Comme nous savions que ces enzymes sont sensibles à l’oxygène, nous avons dû travailler dans une tente anaérobie dépourvue d’air ambiant pour la séparer des autres protéines.
C’était assez compliqué, mais nous avons réussi », explique Olivier Lemaire. Une fois isolée, les scientifiques ont caractérisé les propriétés de l’enzyme. Ils ont montré qu’il génère efficacement du formiate à partir du CO2, mais qu’il effectue la réaction inverse à des vitesses très lentes et avec un rendement médiocre.
« Des enzymes similaires appartenant à la famille des formiate déshydrogénases sont bien connues pour fonctionner dans les deux sens, mais nous avons montré que l’enzyme de Methermicoccus shengliensis est presque unidirectionnelle et ne pouvait pas reconvertir efficacement le formiate en CO2 », rapporte Mélissa Belhamri. « Nous avons été très enthousiasmés par ce phénomène, qui se produit uniquement en l’absence d’oxygène », ajoute-t-elle. « Comme le formiate généré par la fixation du CO2 ne peut pas être retransformé et s’accumule donc, un tel système serait un candidat très intéressant pour la seize du CO2, surtout si nous pouvions le brancher sur une électrode », souligne Tristan Wagner.
L’avantage de cela : l’enzyme étant naturellement ou chimiquement attachée à une électrode, « l’énergie » nécessaire pour capturer le CO2 sera directement délivrée par l’électrode, sans perte de courant électrique ni besoin de composés chimiques coûteux ou toxiques comme relais. Par conséquent, les électrodes liées aux enzymes constituent des systèmes efficaces et attrayants pour les procédures de conversion de gaz. Ainsi, l’enzyme purifiée a été envoyée à l’Université de Genève pour mettre en location un système de capture du CO2 basé sur des électrodes.
Conversion de gaz basée sur l’électricité
Selmihan Sahin et Ross Milton de l’Université de Genève sont des spécialistes en électrochimie. Ils utilisent des électrodes connectées au courant électrique pour effectuer des réactions chimiques. La génération de formiate à base d’électrodes à partir de CO2 nécessite souvent des métaux polluants et rares, c’est pourquoi ils ont tenté de remplacer ces métaux par l’enzyme extraite dans le groupe de Tristan Wagner au MPIMM.
La procédure de liaison d’une enzyme sur une électrode n’est pas toujours aussi efficace que prévu, mais l’enzyme du groupe de recherche de Wagner possède des caractéristiques spécifiques qui pourraient faciliter le processus. Les scientifiques suisses ont réussi à fixer l’enzyme sur une électrode en graphite, où elle effectuait la conversion du gaz. Les taux mesurés étaient comparables à ceux obtenus avec les formiate déshydrogénases classiques.
« La pressure de ce système biologique couplé à l’électrode réside dans son efficacité à transférer les électrons de l’électricité vers la transformation du CO2 », souligne Lemaire. Sahin et Milton ont également confirmé que le système effectue mal la réaction inverse, comme observé précédemment dans le tube de réaction. Par conséquent, l’électrode modifiée convertit en continu le gaz à effet de serre en formiate sans aucun produit secondaire détectable généré ni perte de courant électrique.
Vers une nouvelle answer pour la valorisation du CO2 atmosphérique
Le travail collaboratif fournit un nouvel outil moléculaire à la communauté scientifique : une enzyme convertissant le CO2 en transférant l’électricité avec une grande efficacité. L’énergie verte renouvelable (par exemple éolienne ou solaire) pourrait fournir de l’électricité au système à foundation d’électrodes qui transformerait le CO2 en formiate, une molécule directement utilisable pour des purposes ou pour stocker de l’énergie. « Avant nous, personne n’avait jamais essayé d’étudier une enzyme problem d’un tel méthanogène pour une conversion de gaz à l’aide d’électrodes », explique Tristan Wagner.
« Pourtant, les méthanogènes sont d’excellents convertisseurs de gaz naturel. » Aussi puissantes soient-elles, l’utilisation d’enzymes pour des processus à grande échelle nécessiterait également des systèmes de generation d’enzymes à une échelle similaire, ce qui représente un investissement considérable. Ainsi, même si la stratégie découverte pourrait, en théorie, améliorer considérablement la transformation du CO2, une connaissance approfondie du mécanisme enzymatique est nécessaire avant son software, et l’équipe de chercheurs devra désormais décortiquer en profondeur les secrets moléculaires de la réaction.
