Micro-organismes : des usines à nanoparticules ?

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Les Plantes et leurs extraits ainsi qu’une grande variété de micro-organismes : levures, champignons, microalgues, bactéries sont capables de générer des nanoparticules de compositions très différentes (oxyde, métaux, sulfures, etc.). Ces micro-usines savent efficacement piéger des sels métalliques et des composés moléculaires puis les transformer en solides par chimie douce pour produire des micro- et/ou nanoparticules variées (or, argent, calcite, CdS, magnétite, Zn₃(PO₄)₂) et souvent bien calibrées. Nous avons examiné les principales voies de biosynthèse et mécanismes de formation de ces nanomatériaux. Les acteurs principaux de la transformation précurseur-matériau dépendent de la nature du microorganisme ou de la biomasse utilisées. Ces acteurs, dans le cas des plantes (feuilles, racines, tiges, fleurs, etc.), sont des métabolites secondaires (alcaloïdes, flavonoïdes, saponins, stéroïdes, tannins, etc.) qui jouent le rôle de réducteurs complexants. Dans le cas des algues, champignons, levures, ces acteurs sont respectivement : des polysaccharides porteurs de nombreux groupes hydroxyles réducteurs et stabilisants des nanoparticules, des enzymes (réductases) extra- ou intracellulaires qui initient le procédé de biominéralisation, des oxydoréductases liées à la membrane cellulaire et des quinones. Dans le cas des bactéries, la cellule réduit les ions métalliques via des enzymes spécifiques comme les réductases NADH- ou nitrate-dépendantes pour former des nanoparticules. Le choix du système bactérien permet de sélectionner des bactéries qui peuvent travailler à haute ou basse température. En utilisant ces propriétés, de petites entreprises se sont développées aux États-Unis. Elles produisent en plus grande quantité des nano-aimants et des poudres magnétiques. Ces usines utilisent principalement des bactéries contenant des métal-oxydoréductases qui permettent la production d’oxydes métalliques très variés tels que des ferrites de fer, cobalt, nickel, chrome, manganèse, zinc, des oxydes de terres rares (Nd, Gd, Er, Ho, Tb) et d’uranium, des métaux (or, argent, palladium, sélénium). Cette stratégie présente un certain nombre d’avantages : les produits sont formés en dehors de la cellule, ce qui permet une récolte plus aisée sans endommager les cellules et donc leur recyclage.

Les matériaux et systèmes développés à partir de ces stratégies sont très divers. Par exemple, les électrons produits par l’activité métabolique des bactéries peuvent être une source de production d’électricité, ce qui permet d’élaborer des biopiles à combustibles ou des matériaux d’électrodes à base de microbes. Les nanotubes de sulfure d’arsenic produits par Shewanella sp. présentent des propriétés électriques et optiques intéressantes. La formation de biofilms à base de bactéries réductrices permet d’élaborer des revêtements pour l’anticorrosion des métaux. Des composites Bacillus cereus-nanoparticules d’or permettent de générer des biocapteurs d’humidité à détection électrique très efficaces, des micromoteurs hybrides peuvent être construits par fonctionnalisation de composants de tamis moléculaires suivi d’un couplage avec une bactérie du type Escherichia coli. Le déplacement de ces nanocomposites vivants bactérie-zéolithe peut être aisément visualisé par microscopie optique avec détection par fluorescence.