Santé: vers une biopile régénérable
Publié par Isabelle le 29/03/2019 à 14:00
Source: CNRS INC
La première pile biologique, respectueuse de l'environnement, capable de produire de l'énergie à partir de substrats biodégradables en continue voit le jour. Cette réalisation développée par des chercheurs du Département de chimie moléculaire (CNRS/Université Grenoble Alpes) et du Centre de recherches sur les macromolécules végétales (CNRS) constitue un changement de paradigme dans le domaine des piles à base d'enzymes. Une preuve de concept qui ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de biopiles implantables dans le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.). Ces travaux sont publiés dans la revue ACS Energy Letter.


© Michael Holzinger, Jules Hammond, Andrew Gross

Certaines piles biologiques - ou biopiles - convertissent l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) chimique en énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière,...) grâce à l'action catalytique d'enzymes. Leur utilisation est envisagée in vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par opposition à in vitro ou ex vivo. Les essais...), mais pour cela, les biopiles enzymatiques doivent produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique...) de façon continue à long terme.

C'est ce qu'ont réussi pour la première fois des chercheurs du Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) moléculaire (Equipe S. Cosnier, CNRS/Université Grenoble Alpes) et du Centre de recherches sur les macromolécules végétales (Equipe R. Borsali, CNRS). Pour cette avancée majeure, la biopile est basée sur une solution dans laquelle des transferts d'électrons s'effectuent entre l'enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des...) et les électrodes de la pile par l'intermédiaire de molécules appelées médiateurs rédox. La pile consiste en deux électrodes insérées chacune dans un compartiment perméable permettant la libre circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du substrat (glucose à l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où...) et oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) à la cathode) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en emprisonnant les enzymes et les médiateurs rédox autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) des électrodes. Une difficulté technique était d'empêcher les médiateurs rédox de taille équivalente à celle du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.), de franchir la paroi perméable englobant l'électrode. Les chercheurs les ont alors piégés à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) et à l'intérieur de "glyconanoparticules" obtenues par auto-assemblage de copolymères d'origine naturelle à base de cyclodextrine. Ces nanoparticules de taille modulable (20-400 nm), sont aisément fonctionnalisables par une variété de médiateurs rédox via des réactions d'inclusion avec les motifs cyclodextrines.

Cette pile peut produire de l'énergie de manière illimitée tant que des substrats (glucose et oxygène) lui sont fournis. C'est pourquoi, les chercheurs envisagent à l'avenir un système utilisant un septum pour renouveler les solutions et ainsi régénérer la biopile. À terme, celle-ci pourrait être implantée et fonctionner à partir de substances présentes dans le corps humain.

Référence publication:
Jules L. Hammond, Andrew J. Gross, Fabien Giroud , Christophe Travelet, Redouane Borsali and Serge Cosnier
Solubilized Enzymatic Fuel Cell (SEFC) for Quasi-Continuous Operation Exploiting Carbohydrate Block Copolymer Glyconanoparticle Mediators
ACS Energy Letters, 2019
DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01972

Contact chercheur:
Serge Cosnier- Département de chimie moléculaire, CNRS/Université Grenoble Alpes
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