ÔNotre corps est animé par des signaux électriques qui nous permettent de contracter nos muscles et de percevoir le monde. Le cerveau complexe orchestre ces processus, mais il s’avère que des entités biologiques encore plus simples génèrent de l’électricité. Dans une nouvelle étude publiée dans Matériaux avancésdes chercheurs ont rapporté qu’un virus issu de la bio-ingénierie générait de l’électricité lorsqu’il était exposé à la chaleur, un phénomène connu sous le nom de pyroélectricité.1 En travaillant avec des virus, les chercheurs espèrent mieux comprendre la bioélectricité dans le corps humain et appliquer ces connaissances pour alimenter de nouveaux biomatériaux.
L’étude de la bioélectricité remonte au XVIIIe siècle, lorsque Luigi Galvani découvrit que la stimulation électrique provoquait contraction musculaire chez les grenouilles.2 « Mais nous ne comprenons toujours pas comment ce phénomène bioélectrique se produit réellement au niveau moléculaire », a déclaré Seung Wuk Leebio-ingénieur à l’Université de Californie à Berkeley et co-auteur de l’article.
Le bactériophage M13, un virus en forme de bâtonnet qui infecte les bactéries, est orné d’une enveloppe moléculaire, tissée à partir de près de 3 000 copies d’une protéine hélicoïdale. La protéine est chargée positivement à l’intérieur et négativement à l’extérieur, mais la disposition de l’épaisse enveloppe protéique équilibre les charges.
Il y a plus de dix ans, l’équipe de recherche de Lee a exercé une pression sur les protéines de l’enveloppe, ce qui a amené le bactériophage à présenter piézo-électricité-la capacité de transformer la force mécanique en électricité.3 Lorsque les chercheurs ont appliqué une pression sur les virus, les protéines de l’enveloppe ont changé de forme, brisant la symétrie de charge et se polarisant, ce qui a généré un champ électrique et induit un courant.
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs se sont demandés s’ils pouvaient utiliser de la même manière la chaleur pour déplacer la charge et produire de l’électricité. Ils ont modifié le code génétique des virus pour inclure une séquence protéique spécifique attirée par le nickel. De cette façon, les virus se lieraient et se tiendraient debout sur une fine plaque recouverte de nickel, comme un pâté de maisons de gratte-ciel. Ensuite, ils ont fait exploser ces villes virales avec de la chaleur, soit avec le feu, soit avec un laser. Au fur et à mesure que les protéines fondaient et se dépliaient, leurs charges devenaient déséquilibrées, générant une tension. « La chaleur a induit un changement de polarisation, et le changement de polarisation a induit le potentiel électrique », a déclaré Lee.
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Bien que la protéine hélicoïdale naturelle produise une certaine pyroélectricité, les chercheurs voulaient voir si ils pouvaient donner à la molécule une étincelle supplémentaire. Pour ce faire, ils ont modifié génétiquement le bactériophage pour y ajouter une chaîne de glutamateun élément constitutif des protéines chargé négativement, à l’extérieur de la protéine d’enveloppe.1,4 Lorsque les chercheurs ont augmenté la chaleur, le glutamate ajouté a amplifié le changement de polarisation, doublant ainsi la pyroélectricité de la protéine normale.
« Le fait même qu’ils puissent muter génétiquement le virus et le rendre pyroélectrique est un travail fascinant », a déclaré Syed Tofailphysicien à l’Université de Limerick qui n’a pas participé à l’étude.
Pour démontrer les applications pratiques de leur virus suralimenté, l’équipe de Lee a généré des signatures électriques qui signalent la présence de produits chimiques dangereux. Pour ce faire, ils ont conçu l’enveloppe protéique pour lier le xylène. Puis, lorsqu’ils ont chauffé les bactériophages, les protéines ont changé de forme et ont produit plus d’électricité. En détectant cette différence d’électricité, les auteurs affirment que les virus pourraient agir comme des biocapteurs de gaz nocifs.
« Actuellement, l’application la plus réussie de la pyroélectricité concerne les capteurs pyroélectriques », a déclaré Tofail, ajoutant que les capteurs pyroélectriques sont fabriqués avec du plomb ou du lithium, de sorte que les matériaux biologiques sont attrayants car ils offrent un matériau plus durable.
Même si la tension détectée par les chercheurs en chauffant les virus était faible, ils prévoient de stimuler le virus pour alimenter des composants électroniques plus complexes. Puisque les virus M13 s’auto-répliquent, les scientifiques peuvent augmenter le nombre total de virus, et « nous pouvons amplifier l’électricité de la même manière », a déclaré Lee. « C’est une grande motivation. »
Les références
- Kim H et coll. Pyroélectricité à base de virus. Mater avancé. 2023;35(46):e2305503.
- Piccolino M. Luigi Galvani et l’électricité animale : deux siècles après la fondation de l’électrophysiologie. Tendances Neurosci. 1997;20(10):443-448.
- Lee BY, et al. Génération d’énergie piézoélectrique à base de virus. Nat Nanotechnologie. 2012;7(6):351-356.
- Lee JH et coll. Auto-assemblage vertical de nanostructures de phages polarisés pour la récupération d’énergie. Nano Lett. 2019;19(4):2661-2667.
