Des enzymes pour faire jaillir le courant

Une pile est un dispositif qui transforme de l’énergie chimique en énergie électrique. Elle repose sur une réaction d’oxydoréduction («rédox»), c’est‑à‑dire un transfert d’électrons entre deux espèces chimiques. Lorsqu’une substance s’oxyde, elle perd des électrons; lorsqu’une autre se réduit, elle les gagne. Les électrons libérés circulent alors dans un circuit externe: c’est le courant électrique.

Dans les piles classiques, ces réactions ont lieu sur des électrodes métalliques pour être catalysées. Le terme «catalyser» signifie qu’une substance, appelée catalyseur, accélère une réaction chimique sans être consommée. Or, la nature a trouvé depuis longtemps un autre moyen d’orchestrer ces transferts d’électrons: les enzymes. Ces protéines, produites par les êtres vivants, accélèrent des réactions chimiques avec une efficacité et une sélectivité remarquables, le tout à température ambiante et dans l’eau. Dans notre corps, elles sont omniprésentes: respiration, digestion, production d’énergie… sans enzymes, la vie serait tout simplement impossible.

Une pile enzymatique exploite précisément cette chimie du vivant. Certaines enzymes sont capables d’oxyder des molécules organiques riches en énergie, comme le glucose (un sucre), libérant des électrons. D’autres enzymes catalysent la réduction de l’oxygène de l’air, réaction complémentaire indispensable pour fermer le circuit. En reliant ces 2 demi‑réactions par des électrodes et un circuit électrique, on obtient une pile fonctionnelle. Ce domaine de recherche porte un nom: la bioélectrochimie, à la frontière entre la chimie, la biologie et la physique.

Un autre concept essentiel associé à ces dispositifs est celui de la biocompatibilité. Un matériau ou un système est dit biocompatible lorsqu’il peut être en contact avec le vivant sans provoquer de réaction toxique, inflammatoire ou destructrice. Dans le cas des piles enzymatiques, cette notion prend tout son sens: les enzymes utilisées sont des molécules naturellement présentes dans les organismes vivants, et les réactions ont lieu dans des milieux aqueux proches des conditions biologiques. Cette compatibilité avec le vivant ouvre la voie à des applications inédites, notamment dans le domaine médical, où une pile pourrait fonctionner au contact de tissus ou de fluides biologiques, sans perturber leur fonctionnement.

L’un des atouts majeurs de cette approche est l’abandon des métaux nobles. Le platine ou le palladium, excellents catalyseurs, sont rares, chers, énergivores à extraire et source de dépendances géopolitiques. Les enzymes, au contraire, sont composées d’éléments abondants (carbone, hydrogène, oxygène, azote, parfois fer ou cuivre), sont biodégradables et produites à faible impact environnemental. Se passer de métaux nobles, c’est donc rendre la pile plus durable, plus écologique et potentiellement plus accessible.

La particularité du dispositif développé à l’UGA réside dans son fonctionnement à flux continu. Contrairement aux piles communes, où les réactifs sont confinés dans le dispositif, proche des électrodes, une pile à flux utilise des solutions, contenant les espèces actives, stockées en externe dans des réservoirs. Ces solutions circulent en continu à travers la pile et les réactions électrochimiques ont lieu lorsque ces fluides passent au contact des électrodes. C’est le même principe que dans les piles à combustibles (PAC) présentes dans les voitures électriques à hydrogène. Ces dernières ont un réservoir d’hydrogène (H₂) et capte l’oxygène (O₂) dans l’air pour produire de l’électricité et de l’eau (H₂O).

La pile enzymatique à flux présente plusieurs avantages majeurs. D’abord, sa puissance dépend essentiellement de la surface des électrodes, tandis que sa capacité énergétique dépend du volume de solution disponible. Il devient donc possible de dimensionner indépendamment ces 2 paramètres. Ensuite, la pile est facilement recyclable: il suffit de remplacer ou de régénérer les solutions enzymatiques, sans démonter tout le dispositif. Enfin, le fonctionnement en continu améliore la gestion thermique et la stabilité globale du système. Une véritable chimie douce !

Attention toutefois: douce ne signifie pas insignifiante. Les piles enzymatiques sont capables de fournir des courants suffisants pour alimenter des capteurs, des objets connectés, ou des dispositifs médicaux implantables. Certaines applications envisagent même d’exploiter le glucose naturellement présent dans le corps humain pour produire de l’électricité in situ. Le principal défi reste la stabilité des enzymes dans le temps, car ces protéines peuvent se dégrader. Les chercheurs travaillent donc activement sur leur protection, leur immobilisation et leur renouvellement. Dans les piles enzymatiques développées à l’UGA, on retrouve notamment des enzymes bien connues du métabolisme: la glucose oxydase ou la glucose déshydrogénase, capables d’oxyder le glucose. Côté réduction, des enzymes comme la laccase ou la bilirubine oxydase catalysent la réduction de l’oxygène de l’air en eau. Ces enzymes sont naturellement présentes chez des micro‑organismes, des champignons ou certaines bactéries, où elles jouent un rôle clé dans la respiration cellulaire ou la dégradation de la matière organique.

Au‑delà de la performance, cette technologie illustre une tendance forte de la chimie moderne: le biomimétisme. Plutôt que de forcer la matière avec des températures élevées ou des matériaux rares, on observe les procédés naturels… et on s’en inspire. Après la photosynthèse artificielle, les piles enzymatiques à flux montrent qu’il est possible de repenser la production d’électricité en s’appuyant sur les principes du vivant.