Le schéma naturel de l’ADN, qui contient les informations génétiques dans les organismes vivants, ressemble à un ensemble de cubes LEGO standard que nous achetons dans les magasins, contenant des pièces et des couleurs spécifiques, chacune représentant une unité de construction.
Mais que se passerait-il si l’ADN était fabriqué en laboratoire en déterminant l’ordre et la structure des unités de construction (les nucléotides) d’une manière qui servirait une fonction spécifique ? Ce serait comme quelqu’un qui concevrait des pièces de LEGO dans son propre atelier, choisissant la couleur, la forme et la taille de chaque cube, et créant ainsi sa propre collection unique différente de celle disponible en magasin. C’est en cela que réside la philosophie de l’ « ADN synthétique » conçu par des scientifiques chinois pour réaliser deux fonctions : la désalinisation de l’eau de mer et l’extraction de l’uranium.
Du « design » à l’extraction des minéraux
Dans l’étude publiée dans la revue « Science Advances », les chercheurs ont détaillé leur nouvelle méthode de dessalement, combinée à une fonction supplémentaire consistant à extraire l’uranium, à travers plusieurs étapes :
- Premièrement : conception de la séquence
Le génome est composé de « nucléotides », et chaque « nucléotide » est constitué d’un sucre, d’un groupe phosphate et d’une des quatre bases azotées : adénine, thymine, cytosine ou guanine. Le séquençage de ces bases le long de la chaîne d’ADN porte des informations génétiques.
Dans l’ADN synthétique, les chercheurs peuvent manipuler et concevoir ces séquences pour accomplir des fonctions spécifiques, telles que la liaison à des minéraux spécifiques ou la facilitation de certaines réactions chimiques. Ainsi, la première étape de ce travail a consisté à décrire la séquence d’ADN spécifique nécessaire à la fonction souhaitée. - Deuxièmement : synthèse chimique
En utilisant des réactions chimiques, les scientifiques ont construit les chaînes d’ADN atome par atome, ajoutant les unités de construction de nucléotides dans l’ordre correct à l’aide d’appareils et de réactifs spécialisés. - Troisièmement : purification
L’ADN synthétique composé est purifié pour éliminer tout contaminant ou sous-produit non désirable de sa composition chimique.
- Quatrièmement : vérification
Ensuite, l’ADN synthétique composé est vérifié pour assurer sa conformité à la séquence visée, en utilisant différentes techniques comme le séquençage de l’ADN. - Cinquièmement : incorporation dans l’hydrogel
Une fois l’ADN synthétique prêt, il est incorporé dans un hydrogel (un gel aqueux) pour devenir une partie d’un système d’hydrogel conçu pour évaporer l’eau de manière efficace lorsque exposé à l’énergie solaire. - Sixièmement : renforcement avec de l’oxyde de graphène
L’oxyde de graphène (une substance connue pour ses excellentes propriétés d’absorption de la lumière) est introduit dans l’hydrogel renforcé avec de l’ADN, renforçant ainsi la capacité de l’hydrogel à absorber l’énergie solaire, rendant le processus d’évaporation de l’eau plus efficace.
- Septièmement : extraction sélective de minéraux
Lors de l’évaporation de l’eau, l’hydrogel d’ADN, conçu avec l’enzyme d’ADN spécifique à l’uranyle, a montré une capacité élevée à extraire de manière sélective des minéraux tels que l’uranium de l’eau de mer.
L’enzyme d’ADN pour l’uranyle est un type d’enzyme stimulateur montrant une affinité spécifique pour les « ions d’uranyle », une forme d’uranium courante dans l’eau de mer. Cette enzyme joue un rôle crucial dans l’extraction de l’uranium, car elle est conçue pour avoir une haute spécificité pour capturer sélectivement les « ions d’uranyle », même en présence d’autres ions dans l’eau de mer. Cette spécificité est essentielle pour extraire l’uranium efficacement sans capturer des substances indésirables.
Travail sous l’énergie solaire
Le système entier fonctionne sous l’énergie solaire, alimentant les processus d’évaporation de l’eau et d’extraction de minéraux. Les simulations et expériences en laboratoire ont montré que le gradient de température résultant de l’exposition à la lumière solaire augmente le transport des ions, renforçant ainsi l’efficacité de la désalinisation de l’eau et de l’extraction de minéraux en général.
Les chercheurs ont testé la performance du système dans les eaux de mer naturelles, montrant sa capacité à évaporer rapidement l’eau et à extraire sélectivement les minéraux, offrant ainsi une solution durable pour la désalinisation de l’eau de mer.
Le système a montré une capacité de capture élevée de 5,7 mg par gramme d’uranium à partir d’eaux de mer naturelles, en raison du transport ionique rapide résultant de l’évaporation intermédiaire fonctionnant à l’énergie solaire et de sa grande sélectivité.
Le professeur du département de chimie et de sciences des matériaux de l’université de Northwestern en Chine et chercheur principal de l’étude, Hanksu Liang, a déclaré dans un rapport publié sur « TechXplore » : « Notre nouveau système pourrait offrir des appareils faciles à utiliser pour traiter l’eau de mer à l’avenir, une solution qui devrait être étendue en raison de la rareté croissante de l’eau douce, un problème critique pour les communautés en raison de la croissance démographique et économique rapide ».
Afin de faciliter l’accès à l’eau douce, il y a un besoin croissant de désalinisation de l’eau de mer, qui représente jusqu’à 97 % de la teneur totale en eau sur Terre.
Alors que des chercheurs ont développé des techniques pour désaliniser l’eau de mer utilisant l’énergie solaire comme moyen prometteur de produire de l’eau de mer sans consommation supplémentaire d’énergie, Liang affirme que leur approche est prometteuse car elle permet également l’extraction d’un minéral précieux, l’uranium.
Garantir l’efficacité à grande échelle de la nouvelle méthode est d’une grande importance (Shutterstock)
Des résultats positifs attendus du défi de l’application
D’autre part, le professeur de chimie de l’eau à l’université de la vallée du Sud en Egypte, Khalid Abdelzaher, distingue entre ce que l’étude a réalisé à petite échelle et le défi de l’application à grande échelle.
Dans un entretien téléphonique avec « Al Jazeera Net », il explique que l’étude révèle une expérience innovante de désalinisation, qui apporte, selon les expériences menées lors de l’étude, plusieurs avantages environnementaux et économiques, notamment:
- Réduction de la consommation d’énergie :
L’ingénierie de l’hydrogel d’ADN pour absorber l’énergie solaire de manière efficace lors de la désalinisation de l’eau, contribue à réduire la dépendance aux sources d’énergie traditionnelles, réduisant ainsi l’impact environnemental associé aux méthodes de désalinisation traditionnelles qui nécessitent souvent de grandes quantités d’énergie. - Réduction de l’impact environnemental :
La nature sélective de l’hydrogel d’ADN, en particulier dans l’extraction de minéraux, peut réduire l’impact environnemental de la désalinisation de l’eau en réduisant l’extraction de matériaux indésirables, permettant des opérations plus favorables à l’environnement et réduisant les dommages potentiels sur les écosystèmes. - Utilisation durable des ressources :
La capacité à extraire des minéraux précieux tels que l’uranium de l’eau de mer en utilisant de l’ADN synthétique peut contribuer à un usage plus durable des ressources, réduisant ainsi le besoin de méthodes minières traditionnelles qui peuvent avoir de graves conséquences environnementales.
- Efficacité économique :
La désalinisation de l’eau par énergie solaire à l’aide d’ADN synthétique peut être une solution économiquement efficace, en particulier dans les zones bénéficiant d’une abondance de lumière solaire.
Malgré la reconnaissance par Khalid Abdelzaher de ces avantages, qui semblent évidents à partir des résultats des expériences incluses dans l’étude, la question importante qu’il pose est la suivante : « Ces avantages seront-ils maintenus à grande échelle ? ».
Dans ce contexte, il souligne un ensemble de défis qui doivent être relevés pour passer du niveau des expériences à l’application, notamment :
- Extensibilité : Il est essentiel d’assurer l’efficacité à grande échelle de la méthode lors de sa mise en œuvre pratique.
- Coût de la synthèse de l’ADN : La synthèse de l’ADN peut être coûteuse, et par conséquent, l’évaluation de la rentabilité de ce processus à grande échelle est importante pour la viabilité commerciale de cette technologie.
- Durabilité et possibilité de réutilisation de l’hydrogel d’ADN : La durée de vie et la possibilité de réutilisation de l’hydrogel d’ADN dans le processus de désalinisation de l’eau doivent être étudiées. L’exposition continue à l’eau de mer et au rayonnement solaire peut affecter la sécurité structurelle et la performance du matériau au fil du temps.
- Test dans le monde réel : Bien que les chercheurs aient mené une petite expérience sur le terrain, il est nécessaire de vérifier l’efficacité dans des essais sur le terrain à grande échelle et dans des environnements différents.