Presse du jour
La pollution de l’eau est une préoccupation croissante à l’échelle mondiale, des recherches estimant que les industries chimiques rejettent chaque année entre 300 et 400 mégatonnes (600 à 800 milliards de livres) de déchets industriels dans les préparatifs d’eau.
En tant qu’équipe de scientifiques des composants, nous travaillons sur un « matériau vivant » qui pourrait modifier les colorants chimiques polluants de l’industrie textile en substances inoffensives.
La pollution de l’eau est un problème à la fois environnemental et humanitaire qui a la capacité de affecter également bien les écosystèmes que la santé humaine. Nous espérons que les documents que nous développons pourront constituer un dispositif disponible pour aider à lutter contre ce problème.
Ingénierie d’un matériau vivant
Le « matériau vivant artificiel » sur lequel notre équipe a travaillé contient des bactéries programmées intégrées dans un matériau hydrogel souple. Nous avons publié pour la première fois un article montrant l’performance potentielle de ce matériau dans Nature Communications en août 2023.
L’hydrogel qui constitue la base du matériau a des propriétés similaires à celles du Jell-O : il est doux et composé principalement d’eau. Notre hydrogel particulier est fabriqué à partir d’un polymère naturel et biodégradable à base d’algues appelé alginate, un ingrédient courant dans certains aliments.
L’hydrogel d’alginate fournit un support physique solide aux cellules bactériennes, de la même manière que les tissus soutiennent les cellules du corps humain. Nous avons intentionnellement choisi ce matériau pour que les bactéries que nous y avons incorporées puissent se développer et prospérer.
La forme en grille du matériau aide les bactéries à absorber le dioxyde de carbone. David Baillot/École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego, CC BY-NC-ND
Nous avons choisi l’alginate à base d’algues comme matériau de base parce que il est poreux et peut retenir l’eau. Cela permet aussi aux cellules bactériennes d’absorber les nutriments du milieu environnant.
Après avoir mis en place l’hydrogel, nous avons incorporé dans le gel des bactéries photosynthétiques – ou captant la lumière du soleil – appelées cyanobactéries.
Les cyanobactéries incorporées dans le matériau devaient encore absorber de la lumière et du dioxyde de carbone pour effectuer la photosynthèse, ce qui les maintient en vie. L’hydrogel était suffisamment poreux pour permettre cela, mais pour rendre la configuration également efficace que possible, nous avons imprimé le gel en 3D dans des formes personnalisées : grilles et nids d’abeilles. Ces structures ont un rapport surface/volume plus élevé qui permet à plus de lumière, de CO₂ et de nutriments de pénétrer dans le matériau.
Les cellules étaient heureuses dans cette géométrie. Nous avons observé une croissance cellulaire et une densité plus élevées au fil du temps dans les gels d’alginate dans les structures en grille ou en nid d’abeille à cause de la forme de disque par défaut.
Nettoyer la teinture
Comme toutes les autres bactéries, les cyanobactéries possèdent différents circuits génétiques, qui indiquent aux cellules quels résultats produire. Notre équipe a modifié génétiquement l’ADN bactérien afin que les cellules créent une enzyme précis appelée laccase.
L’enzyme laccase conçu par les cyanobactéries agit en effectuant une réaction chimique avec un polluant qui la transforme en une forme qui n’est plus fonctionnelle. En brisant les liaisons chimiques, il peut rendre un polluant toxique non toxique. L’enzyme est régénérée à la fin de la réaction et part effectuer d’autres réactions.
Une fois que nous avons incorporé ces cyanobactéries créatrices de laccase dans l’hydrogel d’alginate, nous les avons mises dans une solution composée d’un colorant polluant industriel pour voir si elles pouvaient nettoyer le colorant. Dans ce test, nous voulions voir si notre matériau pouvait transformer la structure du colorant afin qu’il passe de coloré à incolore. Mais, dans d’autres cas, le matériau pourrait potentiellement transformer une structure chimique pour passer de toxique à non toxique.
Le colorant que nous avons utilisé, le carmin d’indigo, est un polluant courant des eaux usées industrielles que l’on trouve généralement dans l’eau à proximité des usines textiles : c’est le premier pigment des jeans. Nous avons constaté que notre matériau enlevait toute la couleur de la d’ampleur partie du colorant en 10 jours environ.
C’est une excellente chose, mais nous voulions nous assurer que notre matériau n’ajoutait pas de déchets à l’eau polluée en lixiviant les cellules bactériennes. Nous avons donc aussi conçu la bactérie pour qu’elle produise une protéine susceptible d’endommager la membrane cellulaire de la bactérie : un kill switch programmable.
Le circuit génétique a été programmé en réponse à un produit chimique inoffensif, appelé théophylline, que l’on trouve couramment dans la caféine, le thé et le chocolat. En ajoutant de la théophylline, on pourrait détruire à volonté les cellules bactériennes.
Le secteur des composants vivants modifiés est encore en développement, mais cela signifie simplement qu’il y a plusieurs de nombreuses opportunités pour développer de nouveaux composants contenant à la fois des matériaux vivants et non vivants.
Jonathan K. Pokorski reçoit un financement de la National Science Foundation et du ministère de l’Énergie.
Debika Datta ne travaille pas, ne consulte pas, ne détient pas d’actions ni ne reçoit de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui bénéficierait de ce post, et n’a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de sa nomination universitaire.
