Microbial Synthesis of Reduced Graphene Oxide Nanosheets by Proteus mirabilis MT378377 and Antibacterial Activity against Multidrug Resistant Bacteria

Dans le monde des matériaux modernes, peu de substances sont aussi célébrées que le graphène. Imaginez une feuille d'atomes de carbone disposés en un nid d'abeille parfait à couche unique ; elle est incroyablement résistante, conduit l'électricité avec aisance et est si fine qu'elle est essentiellement bidimensionnelle. Cependant, la création de ce matériau pur nécessite souvent des produits chimiques agressifs, des températures élevées ou des équipements coûteux qui peuvent être difficiles à adapter pour une utilisation quotidienne. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen plus doux de fabriquer ces feuilles de carbone, un moyen qui imite l'efficacité de la nature. Un matériau apparenté, appelé oxyde de graphène, est plus facile à produire mais porte des atomes d'oxygène supplémentaires à sa surface qui le rendent moins conducteur et plus soluble dans l'eau. Pour obtenir le meilleur des deux mondes, les chercheurs tentent de supprimer ces groupes oxygène afin de créer de l'« oxyde de graphène réduit », un matériau qui conserve les propriétés utiles du graphène tout en étant plus facile à manipuler. Le défi consiste à trouver une méthode pour éliminer ces groupes oxygène sans recourir à des produits chimiques toxiques ou à une chaleur extrême, poussant les scientifiques à se tourner vers le monde microscopique des bactéries pour une solution.

Une équipe de chercheurs de l'Université des femmes de Lahore (Lahore College for Women University) au Pakistan a décidé de tester si une bactérie spécifique pouvait accomplir cette transformation chimique. Ils ont commencé par collecter des échantillons de sol et isoler diverses colonies bactériennes, les criblant pour voir lesquelles pouvaient naturellement réduire l'oxyde de graphène. Après avoir testé plusieurs candidats, ils ont identifié une seule souche qui se distinguait. Grâce à l'analyse génétique, ils ont confirmé que cette bactérie était Proteus mirabilis, un microbe courant trouvé dans l'environnement. Ils ont nommé leur souche spécifique MT378377 et se sont mis en route pour comprendre exactement comment elle fonctionnait et dans quelles conditions elle performait le mieux. L'objectif était de créer un processus propre et écologique capable de produire ces nanofeuilles de carbone en grandes quantités, offrant potentiellement une alternative plus verte à la fabrication chimique traditionnelle.

Les chercheurs ont découvert que la bactérie agissait comme une usine vivante pour ces nanomatériaux. Lorsqu'ils ont mélangé les bactéries avec une solution d'oxyde de graphène, les microbes ont commencé à arracher les groupes oxygène, changeant la couleur du mélange en un noir profond, ce qui signalait la formation d'oxyde de graphène réduit. Pour trouver la recette parfaite de ce processus biologique, l'équipe a ajusté diverses conditions, un peu comme un chef qui affine un plat. Ils ont trouvé que les bactéries fonctionnaient mieux à une température chaude de 37 degrés Celsius, ce qui est la température corporelle standard de nombreux organismes. Ils ont également découvert que l'acidité de l'eau importait ; un environnement légèrement acide avec un pH de 5 permettait aux bactéries de produire le plus de matériau. L'ajout d'une infime quantité de sel, spécifiquement du chlorure de sodium, a favorisé le processus, tout comme l'ajout d'un surfactant spécifique appelé Tween 80, qui aide à mélanger des substances qui ne se mélangent habituellement pas bien. La concentration la plus efficace de l'oxyde de graphène de départ était d'un milligramme par millilitre, et les bactéries travaillaient mieux lorsqu'elles étaient maintenues dans l'obscurité plutôt que dans la lumière.

Une fois les conditions optimales établies, l'équipe a mesuré la quantité de matériau produite et son apparence. Sous les bonnes conditions, les bactéries ont généré une quantité significative d'oxyde de graphène réduit, que les chercheurs ont confirmée par des tests d'absorption de lumière. Lorsqu'ils ont examiné le produit final sous des microscopes puissants, ils ont vu que les bactéries avaient réussi à créer des structures fines en forme de feuilles. Ces feuilles mesuraient environ 91 nanomètres de taille, une échelle si petite qu'un million d'entre elles pourraient tenir sur la largeur d'un cheveu humain. Le matériau portait également une charge électrique négative sur sa surface, ce qui aide les feuilles à ne pas s'agglutiner et garantit qu'elles restent en suspension dans l'eau. L'analyse chimique a montré que, bien que les bactéries aient éliminé de nombreux groupes oxygène de l'oxyde de graphène original, certains atomes d'oxygène restaient attachés à la surface, conférant au matériau des propriétés chimiques uniques.

Les chercheurs ont ensuite testé si ces nouvelles nanos feuillets pouvaient combattre des bactéries dangereuses, en ciblant spécifiquement des souches multirésistantes d'Escherichia coli, de Staphylococcus aureus et de Salmonella typhi. Ils ont comparé les performances de l'oxyde de graphène original, du nouvel oxyde de graphène réduit et du graphite standard. Les résultats furent surprenants. L'oxyde de graphène original s'est avéré être une arme puissante, créant des zones claires où les bactéries ne pouvaient pas croître, un effet qui devenait plus fort à mesure que la concentration augmentait. Cependant, l'oxyde de graphène réduit produit par les bactéries n'a montré aucune capacité à tuer ces agents pathogènes résistants aux concentrations testées. Le graphite standard a également échoué à arrêter les bactéries. L'équipe a conclu que, bien que les bactéries aient réussi à créer le matériau, la structure chimique spécifique de l'oxyde de graphène réduit le rendait moins efficace pour tuer les bactéries que la version originale non réduite.

Malgré l'absence d'activité antibactérienne du produit final, l'étude souligne une méthode réussie et respectueuse de l'environnement pour la fabrication de nanomatériaux. Les chercheurs ont noté que l'oxyde de graphène réduit qu'ils ont produit est non toxique et conserve des groupes fonctionnels qui pourraient être utiles pour d'autres applications, telles que le transport de médicaments ou de gènes dans les cellules pour des traitements médicaux. Sa grande surface suggère également qu'il pourrait être utile dans des contextes industriels, peut-être comme lubrifiant pour les machines. Bien que cette souche bactérienne spécifique n'ait pas produit un matériau qui tue les bactéries multirésistantes par elle-même, le processus lui-même offre une voie prometteuse à faible consommation d'énergie pour créer des nanomatériaux qui pourraient être combinés avec d'autres agents pour lutter contre les infections ou servir de systèmes de délivrance avancés en médecine. Ce travail démontre que la nature peut effectivement être exploitée pour construire des matériaux complexes, à condition que les bonnes conditions soient réunies.