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Depuis des années, l’hydrogène, carburant renouvelable, se profile à l’horizon, promettant d’être le vecteur ultime d’une énergie propre. L’utilisation de l’électricité pour séparer l’hydrogène de l’eau nous permettrait de capter l’énergie produite de manière intermittente par des sources renouvelables telles que le soleil et le vent, ce qui faciliterait le stockage et le transport. Cela réduirait la dépendance mondiale à l’égard du charbon, du pétrole et du gaz, tout en relevant le défi du réchauffement planétaire.
Mais comment produire de l’hydrogène à grande échelle de manière respectueuse de l’environnement et économiquement viable? Répondre à cette question contribuera à l’atteinte des objectifs de l’UE pour une économie durable et neutre sur le plan climatique.
À l’université d’Uppsala, en Suède, Gustav Berggren, coordinateur de CaBiS, travaille sur une solution innovante: remplacer les métaux rares nécessaires aux catalyseurs utilisés dans l’électrolyse, comme le platine et l’iridium, par une méthode qui associe des processus biologiques naturels à la chimie de synthèse.
Au cœur de cette approche se trouvent des métalloenzymes semi-synthétiques, qui reproduisent l’action par laquelle l’hydrogène est produit dans les cellules vivantes. Ce domaine a été récemment stimulé par le prix Nobel de chimie 2018 décerné à Frances Arnold, pour ses travaux utilisant l’évolution dirigée pour concevoir des enzymes.
«Nous utilisons des outils de chimie synthétique pour simplifier la préparation de l’enzyme, mais aussi pour générer des versions modifiées de cette enzyme, que nous appelons “mutants organométalliques”», explique Gustav Berggren. Cette méthode contraste avec d’autres tentatives qui impliquent souvent la création d’enzymes transformant l’hydrogène à partir de zéro.
L’équipe de Gustav Berggren a incorporé des métalloenzymes artificielles fonctionnelles dans le cytoplasme de bactéries, un exemple rare d’enzymes artificielles fonctionnant à l’intérieur de cellules vivantes. Ces progrès ont accéléré le rythme de la recherche et ouvert de nouvelles voies pour l’exploration des systèmes photobiologiques de production d’hydrogène. Comme le note Gustav Berggren: «Nous pouvons le faire à un rythme considérablement accéléré par rapport aux méthodes biologiques classiques.» Cette capacité a amélioré leur compréhension du métabolisme de l’hydrogène, et a également contribué à la découverte de nouvelles hydrogénases dans divers organismes.
Applications pionnières et orientations futures
Ces résultats ouvrent la voie à la production photobiologique d’hydrogène, c’est-à-dire à l’utilisation de bactéries photosynthétiques pour optimiser sa fabrication à partir de la lumière du soleil. «Nous utilisons cet outil puissant pour optimiser l’efficacité de la production d’hydrogène à partir de cellules contenant des hydrogénases, en nous concentrant sur l’optimisation du catalyseur enzymatique lui-même ainsi que sur son intégration dans le flux d’électrons cellulaire», explique Gustav Berggren.
Cependant, les implications de ce travail vont au-delà des combustibles renouvelables. Les percées réalisées dans la technologie de l’hydrogénase auront des applications potentielles dans divers domaines, notamment les sciences médicales.
Les méthodologies développées dans le cadre de CaBiS sont maintenant appliquées à l’étude du métabolisme de l’hydrogène dans l’intestin humain. Gustav Berggren souligne l’impact potentiel: «Une meilleure compréhension du métabolisme des gaz dans ce contexte devrait avoir un impact significatif sur les sciences de la vie et permettre la conception de nouveaux médicaments et traitements médicaux.»
Malgré ces développements prometteurs, Gustav Berggren reconnaît que la traduction de ces avancées en applications pratiques nécessitera davantage de recherche et d’optimisation. «Pour que ces technologies décollent, nous devons également optimiser la conception des bioréacteurs pour une sécurité élevée et une capture efficace de la lumière, ainsi qu’une récolte et un traitement efficient en aval de l’hydrogène gazeux produit», ajoute-t-il.
Le projet CaBiS, financé par le Conseil européen de la recherche, représente indubitablement une avancée significative dans la recherche d’une production durable d’hydrogène. Associant chimie de synthèse de pointe et systèmes biologiques naturels, Gustav Berggren et son équipe ont créé une plateforme puissante pour de futures innovations, qu’ils continuent actuellement à affiner.