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Le ministère de l'Économie, de l'Innovation, du Numérique et de l'Énergie de la Sarre finance le projet à hauteur d'environ 580 000 euros dans le cadre du programme "Investissements dans l'emploi et la croissance" du Fonds européen de développement régional (FEDER).
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
De l'arsenic, du plomb et du cadmium au mercure et au zinc : les métaux lourds se retrouvent dans l'environnement et les cours d'eau en provenance de l'industrie et de l'exploitation minière, mais aussi, par exemple, des gaz d'échappement des voitures, de l'agriculture, des produits phytosanitaires, des déchets ou par des voies naturelles telles que les volcans. Lorsque les plantes et les animaux les absorbent, ces polluants pénètrent dans la chaîne alimentaire et finissent par se retrouver dans le corps humain. S’ils s’accumulent dans les organes et les tissus, ils peuvent nuire à la santé et, en raison des coûts globaux qui en découlent, porter préjudice à la société.
C’est là qu’intervient un projet menant à une collaboration entre des chercheuses et chercheurs de l’Université de la Sarre et du KIST Europe : « Notre objectif est d’éliminer les métaux lourds des cours d’eau. Pour cela, nous développons une méthode innovante dans le cadre d’une approche interdisciplinaire », explique Uwe Hartmann, physicien expérimental à l’Université de la Sarre. Des essaims de « nano-hameçons » biologiques sont censés accrocher fermement les particules de métaux lourds à leurs hameçons et les extraire de l’eau. Les physiciens de Sarrebruck développent actuellement la technologie permettant de détecter les métaux lourds dans les cours d’eau. Les microbiologistes du KIST Europe construisent les nano-hameçons qui capturent les particules dans l’eau.
Des spécialistes de la liaison moléculaire repêchent des particules de métaux lourds
Pour ce faire, la biologiste moléculaire Nuriye Korkmaz Zirpel utilise une technique de laboratoire spécifique, qui sert par ailleurs, entre autres, à développer de nouveaux principes actifs : ce qu’on appelle le « phage display ». « Les phages sont des virus inoffensifs pour les humains et les animaux. Ils n’attaquent que les bactéries et ne peuvent pas se multiplier de manière autonome sans leurs cellules bactériennes hôtes », explique la chercheuse titulaire d’un doctorat. Les phages possèdent une propriété particulière : ils peuvent retenir des particules. Cela se fait à l’aide d’une sorte d’hameçon moléculaire. « Il s’agit de peptides situés à la surface des virus. Dans notre cas, ceux-ci doivent se lier aux ions de métaux lourds », précise Nuriye Korkmaz Zirpel.
Au KIST Europe, la chercheuse s’attache dans un premier temps à identifier les « peptides-hameçons » adaptés. Pour ce faire, elle modifie l’ADN des virus de manière à ce que différents hameçons peptidiques se forment à leur surface. Afin de déterminer quels phages et peptides sont particulièrement efficaces pour capturer les particules de métaux lourds, la chercheuse met en contact des milliards de ces virus inoffensifs avec les métaux lourds. Elle sélectionne les candidats les plus performants et les multiplie. De plus, elle modifie la surface des virus de manière à ce que non pas un seul, mais de nombreux crochets peptidiques parmi les plus efficaces s’y développent. Au final, l’objectif est de créer un « phage display » composé de spécialistes de la liaison hautement performants. « Ces unités de liaison reconnaîtront de manière sélective leur molécule cible et seront ensuite utilisées comme unités de bioreconnaissance, c’est-à-dire comme biocapteurs », explique Nuriye Korkmaz Zirpel.
Un système de capteurs sensibles pour la détection des polluants
Les physiciens expérimentaux de Sarrebruck, membres du groupe de recherche du professeur Uwe Hartmann, développent la technologie permettant de détecter les particules de métaux lourds liées aux phages, afin de les extraire par la suite. Ce groupe de travail est spécialisé dans les capteurs ultrasensibles et leurs multiples applications pratiques. « Dans le cadre de ce projet, nous développons un système de biocapteurs portables basé sur des transistors à effet de champ afin de vérifier si les phages absorbent des particules de métaux lourds », explique Haibin Gao, physicien titulaire d'un doctorat et membre de l'équipe de Hartmann.
Les transistors à effet de champ, ou FET, sont, par principe, des commutateurs électroniques qui contrôlent le flux de courant électrique. Même les plus infimes variations de l’ nvironnement électrique au niveau du transistor modifient le flux de courant et génèrent des signaux mesurables. Les chercheurs entraînent les capteurs à déceler de manière ciblée, à partir des signaux reçus, les modifications induites par différents métaux lourds, et les sensibilisent pour qu’ils les détectent de manière très fiable.
Pour ce faire, les chercheurs adaptent spécifiquement les composants des transistors à effet de champ aux exigences particulières liées aux particules de métaux lourds liées à des virus par des peptides. « Dans le cadre de ce projet, nous allons concevoir et fabriquer des transistors à effet de champ à l’aide de la lithographie laser et du procédé de pulvérisation cathodique », explique Haibin Gao à propos de cette technologie. Il s’agit là de deux procédés grâce auxquels les chercheurs structurent et revêtent les capteurs de manière à ce qu’ils détectent très précisément les polluants concernés. « Afin d’améliorer encore la sensibilité et d’atteindre une meilleure capacité de détection des métaux lourds, nous utilisons également des nanotubes de carbone comme matériau pour le canal du FET », explique le physicien.
L’équipe de recherche teste sa technologie dans le cadre de nombreuses séries d’essais sur des échantillons d’eau. « Nous testons actuellement la première génération du FET et pensons pouvoir démontrer la validité du concept très prochainement », explique Haibin Gao. « À plus long terme, nous travaillons notamment à déterminer comment minimiser les interférences, c’est-à-dire les influences qui perturbent les mesures, à l’aide d’algorithmes basés sur l’intelligence artificielle », précise le chercheur.
Une fois que les particules de métaux lourds ont été détectées par les transistors à effet de champ et capturées à l’aide des « hameçons à phages », il s’agira, à plus long terme, d’étudier et de développer des méthodes permettant de les extraire de l’eau à l’aide de procédés respectueux de l’environnement. « À terme, nous souhaitons par exemple essayer d’associer les phages à des nanoparticules magnétiques, afin que ces complexes puissent être extraits de l’eau à l’aide d’aimants », explique Uwe Hartmann. « Nous allons nous pencher sur la question de savoir comment combiner au mieux la détection des métaux lourds et le procédé d’élimination de ces derniers dans une application pratique. Nous travaillerons également à l’analyse simultanée de plusieurs métaux lourds afin de rendre la méthode plus efficace », explique Uwe Hartmann en évoquant l’avenir de cette technologie novatrice.
Pour toute question
Prof. Dr Uwe Hartmann : 0681/3023799 ; e-mail : uwe.hartmann(at)uni-saarland.de
Dr Haibin Gao : 0681/3023654, e-mail : haibin.gao(at)uni-saarland.de
Dr Nuriye Korkmaz Zirpel, 0681/9382252 ; e-mail : n.korkmaz(at)kist-europe.de
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