Les scientifiques ont créé une méthode pour transformer les déchets plastiques en soie d’araignée biodégradable à l’aide de bactéries, offrant ainsi une approche innovante et durable pour lutter contre la pollution plastique. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Pour la première fois, des chercheurs ont utilisé des bactéries pour « valoriser » des déchets de polyéthylène.
Déplacez-vous sur Spider-Man : des chercheurs de l’Institut polytechnique Rensselaer ont développé une souche de bactérie capable de transformer les déchets plastiques en une soie d’araignée biodégradable aux usages multiples.
Transformer le plastique en protéines
Leur nouvelle étude marque la première fois que des scientifiques utilisent des bactéries pour transformer le plastique polyéthylène – celui utilisé dans de nombreux articles à usage unique – en un produit protéique de grande valeur.
Ce produit, que les chercheurs appellent « soie d’araignée bio-inspirée » en raison de sa similitude avec la soie que les araignées utilisent pour tisser leurs toiles, a des applications dans le textile, les cosmétiques et même la médecine.
Inspirés par la soie présente dans la nature, comme la soie d’araignée, les scientifiques de RPI visent à réduire les déchets plastiques en les convertissant en protéines de soie respectueuses de l’environnement. Crédit : Issues.fr.com
La force de la soie d’araignée
« La soie d’araignée est le Kevlar naturel », a déclaré Helen Zha, Ph.D., professeur adjoint de génie chimique et biologique et l’un des chercheurs du RPI à la tête du projet. « Il peut être presque aussi résistant que l’acier sous tension. Cependant, il est six fois moins dense que l’acier, ce qui le rend très léger. En tant que bioplastique, il est extensible, résistant, non toxique et biodégradable.
Tous ces attributs en font un excellent matériau pour un avenir où les ressources renouvelables et la prévention de la pollution plastique persistante sont la norme, a déclaré Zha.
Lutter contre la pollution plastique
Le plastique polyéthylène, présent dans des produits tels que les sacs en plastique, les bouteilles d’eau et les emballages alimentaires, est le principal contributeur à la pollution plastique à l’échelle mondiale et peut mettre jusqu’à 1 000 ans à se dégrader naturellement. Seule une petite partie du plastique polyéthylène est recyclée, de sorte que les bactéries utilisées dans l’étude pourraient contribuer à « recycler » une partie des déchets restants.
Protéines de soie générées par des bactéries conçues pour convertir le polyéthylène en ce matériau polyvalent. Crédit : Institut Polytechnique Rensselaer
Le processus de conversion
Pseudomonas aeruginosa, la bactérie utilisée dans l’étude, peut naturellement consommer du polyéthylène comme source de nourriture. L’équipe RPI a relevé le défi de concevoir cette bactérie pour convertir les atomes de carbone du polyéthylène en une protéine de soie génétiquement codée. Étonnamment, ils ont découvert que leurs bactéries nouvellement développées pouvaient produire la protéine de soie avec un rendement rivalisant avec certaines souches bactériennes utilisées de manière plus conventionnelle dans la biofabrication.
Le processus biologique sous-jacent à cette innovation est utilisé depuis des millénaires.
Du plastique à la soie
« Essentiellement, les bactéries fermentent le plastique. La fermentation est utilisée pour fabriquer et conserver toutes sortes d’aliments, comme le fromage, le pain et le vin, et dans les industries biochimiques, elle est utilisée pour fabriquer des antibiotiques, acides aminéset les acides organiques », a déclaré Mattheos Koffas, Ph.D., professeur Dorothy et Fred Chau ʼ71 Career Development Constellation en biocatalyse et génie métabolique, et l’autre chercheur dirigeant le projet, et qui, avec Zha, est membre du Centre de biotechnologie et d’études interdisciplinaires à Rensselaer.
Pour amener les bactéries à fermenter le polyéthylène, le plastique est d’abord « prédigéré », a expliqué Zha. Tout comme les humains doivent couper et mâcher nos aliments en petits morceaux avant que notre corps puisse les utiliser, les bactéries ont du mal à manger les longues chaînes moléculaires, ou polymères, qui composent le polyéthylène.
Dans cette étude, Zha et Koffas ont collaboré avec des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne, qui ont dépolymérisé le plastique en le chauffant sous pression, produisant ainsi une substance molle et cireuse. Ensuite, l’équipe a appliqué une couche de cire dérivée du plastique au fond des flacons, qui a servi de source nutritive pour la culture bactérienne. Cela contraste avec la fermentation typique, qui utilise les sucres comme source de nutriments.
« C’est comme si, au lieu de nourrir le gâteau de bactéries, nous lui donnions les bougies du gâteau », a déclaré Zha.
Puis, tandis qu’une plaque chauffante faisait doucement tourner le contenu des flacons, les bactéries se sont mises au travail. Après 72 heures, les scientifiques ont filtré les bactéries de la culture liquide, purifié la protéine de soie et l’ont lyophilisée. À ce stade, la protéine, qui ressemblait à des boules de coton déchirées, pourrait potentiellement être transformée en fil ou transformée en d’autres formes utiles.
« Ce qui est vraiment passionnant dans ce processus, c’est que, contrairement à la manière dont les plastiques sont produits aujourd’hui, notre processus nécessite peu d’énergie et ne nécessite pas l’utilisation de produits chimiques toxiques », a déclaré Zha. « Les meilleurs chimistes du monde ne pourraient pas transformer le polyéthylène en soie d’araignée, mais ces bactéries le peuvent. Nous exploitons vraiment ce que la nature a développé pour fabriquer à notre place.
Cependant, avant que les produits en soie d’araignée recyclés ne deviennent une réalité, les chercheurs devront d’abord trouver des moyens de fabriquer la protéine de soie plus efficacement.
Perspectives futures et impact environnemental
« Cette étude démontre que nous pouvons utiliser ces bactéries pour transformer le plastique en soie d’araignée. Nos futurs travaux consisteront à déterminer si la modification des bactéries ou d’autres aspects du processus nous permettra d’augmenter la production », a déclaré Koffas.
« Les professeurs Zha et Koffas représentent la nouvelle génération d’ingénieurs chimistes et biologiques qui fusionnent l’ingénierie biologique avec la science des matériaux pour fabriquer des produits respectueux de l’environnement. Leur travail constitue une approche nouvelle pour protéger l’environnement et réduire notre dépendance à l’égard des ressources non renouvelables », a déclaré Shekhar Garde, Ph.D., doyen de l’école d’ingénierie de RPI.
L’étude, menée par le premier auteur Alexander Connor, qui a obtenu son doctorat du RPI en 2023, et les co-auteurs Jessica Lamb et Massimiliano Delferro du Argonne National Laboratory, est publiée dans la revue Usines de cellules microbiennes.
