Grenouilles, mousse et carburant : produire des sucres à partir du soleil ?

Ce travail des chercheurs de l'Université de Cincinnati aux USA est très intéressant, car il combine avec intelligence différents éléments issus de la nature avec pour objectif d'améliorer la conversion de l'énergie solaire en carburant (sucres). La production d'éthanol à partir du maïs soulève des questions en termes écologique et social. L'utilisation des terres agricoles pour la production énergétique est souvent mise en question. Le bilan énergétique de l'ensemble du processus est également remis en question. Pour ces deux raisons, de nombreuses équipes de recherche aux États-Unis et ailleurs dans le monde s'interrogent sur l'existence de voies alternatives, des algues aux bactéries en passant par d'autres espèces végétales comme le Miscanthus et des dispositifs purement artificiels.

Les chercheurs de l'Université de Cincinnati ont combiné une mousse biologique, un nanosystème biologique permettant la photosynthèse. Cette mousse biologique est similaire à celle que produit une grenouille exotique lors du processus de reproduction. Cette mousse sert d'abris aux têtards pendant une période relativement longue (contrairement à d'autres types de mousses qui ont une durée de vie beaucoup plus courte). C'est la durée de vie de cette mousse biologique qui a intéressé les chercheurs. Elle semble pouvoir être utilisée avec succès dans des systèmes industriels, par exemple pour utiliser les gaz de combustion des centrales de production électriques utilisant le charbon. Cette mousse pourrait être utilisée pour emprisonner plusieurs types de systèmes biologiques produisant des sucres à partir de l'énergie solaire (issus des algues). Ce travail a le mérite de combiner plusieurs systèmes biologiques existant pour produire un résultat innovant. Encore faut-il pouvoir extraire les produits de cette petite usine biologique ! 

Produire du sucre à l'aide de bactéries ?

En janvier 2012, j'avais publié un billet intitulé de la viande synthétique bientôt dans nos assiettes en précisant qu'il faudra attendre au moins 10 ans pour voir le produit arriver effectivement dans nos assiettes. En ce qui concerne le sucre, cela pourrait arriver plus rapidement. Jeffrey Way et d'autres chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université d'Harvard ont développé une cyanobactérie qui produit du sucre et de l'acide lactique par photosynthèse. Cette nouvelle méthode permettrait de réduire les coûts de production du sucre. Aujourd'hui, on produit du sucre principalement à partir de la canne à sucre, de la betterave et d'autres sources agricoles.

Le dispositif industriel utilisant la cyanobactérie mise au point par les chercheurs du Wyss Institute pourrait être mis en place à proximité des centres de consommation et des sources de CO2. La photosynthèse nécessite, entre autres, du CO2, de l'eau et de l'énergie solaire. La maîtrise de la photosynthèse semble intéresser de nombreuses équipes de recherche. En effet celle-ci est une voie qui permet d'accéder à l'énergie solaire, laquelle est particulièrement abondante et gratuite. Rappelons que l'éthanol peut être obtenu par fermentation et que la réaction produit du CO2. Les cyanobactéries ouvrent probablement également une voie intéressante à la production de biocarburants.

L'acide lactique est une molécule dont l'usage est courant en chimie industrielle. Il peut en particulier être utilisé pour produire des polymères ou pour diverses applications dans le domaine alimentaire, l'industrie cosmétique, etc.

Ce processus est-il un nouveau challenge pour les filières agricoles traditionnelles ? La route vers l'industrialisation est encore longue ! Cependant, le découplage de la production avec la terre agricole est un avantage potentiel indéniable, comme la fonction de capture du CO2 produit à proximité du centre de production. Mais cette vision d'une micro-bio-raffinerie sera-t-elle techniquement et économiquement efficiente ?

Rappelons qu'en février 2010, des chercheurs du CNRS (Victoria Flexer et Nicolas Mano) avait mis  au point une biopile insérée dans un cactus. L'objectif : mesurer la photosynthèse! Cependant, cet outil de mesure produisait, à l'aide du cactus, de l'énergie électrique directement à partir de l'énergie solaire.

     Voir une vidéo de Jeffrey Way ci-dessous

Une feuille artificielle - La photosynthèse sous contrôle

Le BBSRC (Biotechnology and Biological Sciences Research Council), une institution financée par le gouvernement britannique, a décidé de financer des projets de recherche en biologie synthétique dont l'objectif est de mettre au point les feuilles artificielles. Les scientifiques souhaitent de cette manière améliorer la conversion de l'énergie solaire en « énergie liquide ». Ils espèrent ainsi battre les systèmes photovoltaïques, l'électricité qui en dérive présentant toujours l'inconvénient d'être difficile à stocker.

La biologie synthétique consiste à reproduire de manière artificielle un système biologique naturel. Voir le carnet sur les viandes synthétiques dans ce blog. Voir également la notice sur la biologie synthétique de Wikipédia.

L'idée consiste à créer une feuille artificielle qui répliquerait de manière robuste le mécanisme de base de la photosynthèse. 12 molécules d'eau, 6 molécules de dioxyde de carbone et l'énergie solaire produisent par photosynthèse une molécule de glucose, 6 molécules d'oxygène et 6 molécules d'eau. Mais cela se produit dans la nature à l'issue de plusieurs phases dans lesquelles sont impliquées plusieurs structures biologiques comme la chlorophylle. L'énergie liquide ainsi produite serait neutre sur le plan du carbone et serait un substitut de qualité par rapport aux fuels fossiles. Ce système n'entrerait pas en concurrence avec les productions alimentaires pour l'usage de la terre. Finalement, les chercheurs espèrent augmenter le taux de conversion en utilisant des enzymes qui jouent un rôle dans la photosynthèse naturelle.