Durabilité : la ville française qui sera éclairée par des bactéries

Dans une salle latérale tranquille du centre de vaccination Covid-19 de Rambouillet, une petite ville française située à une cinquantaine de kilomètres au sud-ouest de Paris, une douce lumière bleue émanait d'une rangée de tubes cylindriques. Les personnes ayant reçu un vaccin l'année dernière ont été invitées à se baigner dans cette lueur pendant quelques minutes en attendant dans la zone de récupération.

Bientôt, la même lueur azurée illuminera la nuit la place André Thomé et Jacqueline Thomé-Patenôtre, située juste en face de la bien nommée salle de spectacle La Lanterne. Ces expériences éthérées sont également en cours dans toute la France, y compris à l'aéroport Roissy-Charles-de-Gaulle de la capitale.

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Mais à la différence des lampadaires classiques, qui émettent souvent une lumière éblouissante et doivent être raccordés au réseau électrique, ces lumières d'un autre monde sont alimentées par des organismes vivants grâce à un processus appelé bioluminescence.

Ce phénomène - où des réactions chimiques à l'intérieur du corps d'un organisme produisent de la lumière - peut être observé dans de nombreux endroits de la nature. Des organismes aussi divers que les lucioles, les champignons et les poissons ont la capacité de briller par bioluminescence. Elle est présente chez 76 % des créatures d'eau profonde et a évolué de manière indépendante des dizaines de fois, dont au moins 27 fois chez les seuls poissons marins.

Les utilisations de la bioluminescence dans le monde naturel sont tout aussi variées. Les lucioles s'illuminent pour attirer leurs compagnons, tandis que certaines espèces d'algues s'illuminent lorsque l'eau environnante est perturbée. Les baudroies des grands fonds permettent aux bactéries bioluminescentes de s'installer sur un lobe au-dessus de leur tête pour attirer leurs proies.

La plupart des espèces océaniques bioluminescentes émettent une lumière bleue-verte qui, en raison des longueurs d'onde plus courtes de ces couleurs, peut voyager plus loin dans l'océan. Certaines lucioles et certains escargots émettent une lumière jaune, et le "ver du chemin de fer", une larve de coléoptère originaire des Amériques, est connu pour devenir rouge et jaune verdâtre dans un motif pointillé qui ressemble à un train la nuit. On a même découvert que les poils des lièvres printaniers, des rongeurs nocturnes vivant dans le sud de l'Afrique, produisent une lueur biofluorescente rose vif.

La lueur bleu turquoise qui baigne la salle d'attente de Rambouillet, quant à elle, provient d'une bactérie marine recueillie au large des côtes françaises, appelée Aliivibrio fischeri. Les bactéries sont stockées dans des tubes remplis d'eau salée, ce qui leur permet de circuler dans une sorte d'aquarium lumineux.

La lumière étant générée par des processus biochimiques internes faisant partie du métabolisme normal de l'organisme, son fonctionnement ne nécessite pratiquement aucune autre énergie que celle nécessaire à la production de la nourriture consommée par les bactéries.

Un mélange de nutriments de base est ajouté et de l'air est pompé dans l'eau pour fournir de l'oxygène. Pour "éteindre les lumières", il suffit de couper l'air, ce qui arrête le processus en faisant passer la bactérie dans un état anaérobie où elle ne produit pas de bioluminescence.

"Notre objectif est de changer la façon dont les villes utilisent la lumière", explique Sandra Rey, fondatrice de la start-up française Glowee, à l'origine du projet à Rambouillet. "Nous voulons créer une ambiance qui respecte mieux les citoyens, l'environnement et la biodiversité - et imposer cette nouvelle philosophie de la lumière comme une véritable alternative."

Les partisans comme Rey affirment que la bioluminescence produite par les bactéries pourrait être un moyen économe en énergie et durable d'éclairer nos vies. Selon elle, la façon dont nous produisons actuellement la lumière a peu changé depuis la mise au point de la première ampoule électrique en 1879. Si l'ampoule LED, apparue dans les années 1960, a permis de réduire considérablement les coûts d'exploitation de l'éclairage, elle dépend toujours de l'électricité, qui est en grande partie produite par la combustion de combustibles fossiles.

Fondée en 2014, Glowee développe une matière première liquide - en théorie renouvelable à l'infini - composée de micro-organismes bioluminescents. Elle est cultivée dans des aquariums d'eau salée avant d'être conditionnée dans les tubes d'aquarium. Le processus de fabrication, selon Rey, consomme moins d'eau que la fabrication de lampes à LED et dégage moins de CO2, tandis que le liquide est également biodégradable. Les ampoules consomment également moins d'électricité que les LED, selon l'entreprise, même si les ampoules Glowee produisent moins de lumens que la plupart des ampoules LED modernes.

Si les lumières de Glowee ne sont actuellement disponibles qu'en tubes standards pour les événements, l'entreprise prévoit de produire prochainement plusieurs types de mobilier urbain, comme des bancs extérieurs avec éclairage intégré.

En 2019, la mairie de Rambouillet a signé un partenariat avec Glowee et a investi 100 000 € (65 595 700 FCFA) pour faire de la ville "un laboratoire de bioluminescence grandeur nature".

Guillaume Douet, responsable des espaces publics de Rambouillet, estime que si l'expérience est un succès, elle pourrait entraîner une transformation dans tout le pays. "Il s'agit d'une ville de demain", déclare Guillaume Douet. "Si le prototype fonctionne vraiment, nous pourrons le déployer à grande échelle et remplacer les systèmes d'éclairage actuels."

Mais l'éclairage bioluminescent n'est pas nouveau. Vers 350 avant Jésus-Christ, le philosophe grec Aristote a décrit la bioluminescence des vers luisants et des lucioles comme un type de lumière "froide". Les mineurs de charbon ont utilisé des lucioles dans des bocaux pour s'éclairer dans les mines où toute flamme - même une bougie ou une lanterne - pouvait déclencher une explosion mortelle. Quant aux champignons lumineux, ils sont utilisés depuis des années par les tribus indiennes pour éclairer les jungles denses.

Pourtant, Glowee est la première entreprise au monde à atteindre ce niveau d'expérimentation, et la société affirme être en négociation avec 40 villes de France, de Belgique, de Suisse et du Portugal. ERDF, une société essentiellement publique qui gère le réseau électrique français, fait partie des bailleurs de fonds de Glowee, la Commission européenne a fourni un financement de 1,7 million d'euros (1 115 126 900 FCFA) et l'Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm) a apporté son soutien technique.

Cependant, Carl Johnson, professeur de sciences biologiques à l'université Vanderbilt, estime que de sérieux défis restent à relever avant que la bioluminescence puisse obtenir le feu vert pour un déploiement à grande échelle.

"Tout d'abord, vous devez nourrir les bactéries et les diluer au fur et à mesure de leur croissance", explique-t-il. "Ce n'est pas si facile. De plus, le phénomène sera très dépendant de la température et je doute qu'il fonctionne en hiver. Troisièmement, la bioluminescence est très faible par rapport à l'éclairage électrique. Mais peut-être ont-ils amélioré l'intensité de la luminescence".

Rey de Glowee reconnaît ces défis à venir, mais insiste sur les avantages, tant écologiques qu'économiques, qui pourraient voir les futures villes baignées de lumière bleue bactérienne.

Actuellement, l'équipe basée à Evry s'efforce d'augmenter l'intensité de la lumière produite par la bactérie - qui, pour l'instant, ne dure que quelques jours ou quelques semaines avant de nécessiter d'autres nutriments et n'est pas encore aussi puissante que les lumières LED - en la soumettant à différentes températures et pressions.

Jusqu'à présent, Glowee affirme que sa bactérie peut produire une luminosité de 15 lumens par mètre carré, ce qui est loin des 25 lumens par mètre carré minimum requis pour l'éclairage public des parcs et des jardins. En comparaison, une ampoule LED domestique de 220 lumens peut produire environ 111 lumens par mètre carré de sol.

"Nous avançons petit à petit", dit-elle. "Mais nous avons déjà fait d'énormes pas et notre philosophie de la lumière est une réponse à la crise que traverse l'humanité."

Catrin Williams, maîtresse de conférences à l'école des biosciences de l'université de Cardiff, qui a étudié la bioluminescence chez les bactéries, reconnaît qu'il est "difficile" de maintenir des cultures bactériennes vivantes à long terme en raison de la nécessité d'un apport en nutriments.

Mais, selon Mme Williams, ce problème pourrait être résolu en se concentrant sur la "chimiluminescence" - un processus que Glowee étudie également actuellement - qui supprime le besoin de bactéries vivantes. Au lieu de cela, l'enzyme responsable de la bioluminescence, la luciférase, peut en théorie être extraite des bactéries et utilisée pour produire elle-même de la lumière. "Je pense que l'approche de Glowee est extrêmement nouvelle et innovante et qu'elle pourrait être fantastique", dit-elle.

D'autres initiatives dans le monde apportent d'autres lueurs d'espoir. Nyoka Design Labs, basé à Vancouver, développe une alternative biodégradable aux bâtons lumineux en utilisant des enzymes non vivantes, sans cellules, qui, selon les créateurs, sont beaucoup plus faciles à entretenir que les bactéries vivantes. "Au lieu d'utiliser toute la voiture, on enlève juste les phares", explique Paige Whitehead, la fondatrice et directrice générale. "L'enzymologie a progressé à un point tel que nous n'avons plus besoin de nous appuyer sur les systèmes soutenus par les cellules."

Une fois utilisés, les bâtons lumineux ne peuvent pas être recyclés en raison du mélange de produits chimiques qu'ils contiennent. Ils sont utilisés dans un large éventail d'applications, des forces de l'ordre aux militaires en passant par les festivaliers. Certains chercheurs se sont inquiétés de l'effet des produits chimiques qu'ils contiennent sur la vie marine, car ils sont aussi souvent utilisés comme appâts dans la pêche à la palangre.

"Une si grande partie de ces déchets est inutile", déclare M. Whitehead. "La vision que nous poursuivons est de remplacer tous les systèmes d'éclairage alternatifs pour les rendre plus durables."

Dans une percée majeure pour cette vision, une étude publiée en avril 2020 a révélé une équipe de bioingénieurs russes travaillant avec une startup de biotechnologie basée à Moscou qui a créé une méthode pour soutenir la bioluminescence dans les plantes. Ils affirment avoir réussi à faire briller les plantes 10 fois plus fort et plus longtemps que les efforts précédents - produisant plus de 10 milliards de photons par minute - en bio-ingénierie des gènes bioluminescents de champignons dans les plantes. La nouvelle recherche s'appuie sur des résultats qui ont permis d'identifier une version fongique de la luciférine, l'un des composés uniques nécessaires à la bioluminescence, ainsi que l'une ou l'autre des enzymes luciférase ou photoprotéine.

Keith Wood, un scientifique qui a créé il y a 30 ans la première plante luminescente à l'aide d'un gène provenant de lucioles, affirme que cette technologie pourrait en partie remplacer l'éclairage artificiel comme les LED. Plus récemment, il a découvert qu'en modifiant la structure génétique d'une luciférase présente dans la crevette des grands fonds Oplophorus gracilirostris, il était possible d'augmenter sa luminosité de 2,5 millions de fois. L'enzyme ainsi obtenue, que les chercheurs ont appelée NanoLuc, était également 150 fois plus lumineuse que les luciférases présentes dans les lucioles.

"L'application de la biologie synthétique à la bioluminescence offre des possibilités considérables", affirme M. Wood, qui développe actuellement une plante bioluminescente pour la société Light Bio.

Mais la manière exacte dont ces plantes bioluminescentes transgéniques pourraient être utilisées à l'avenir n'est pas encore décidée. Un groupe de concepteurs d'Athènes, dirigé par Olympia Ardavani de l'Université ouverte hellénique, a imaginé l'utilisation d'un grand nombre de plantes bioluminescentes pour fournir un éclairage d'ambiance le long des routes. Ils ont estimé que s'il était possible de produire une plante émettant environ 57 lumens de lumière chacune, il faudrait 40 plantes tous les 30 mètres de chaque côté de la route pour répondre à la classe la plus basse d'éclairage public requise sur les routes utilisées par les piétons en Europe.

Toutefois, M. Rey pense que l'exploitation du pouvoir naturel de la bioluminescence pour l'éclairage pourrait également nous faire voir l'environnement et le monde naturel sous un jour nouveau. "Cela peut créer une ambiance qui nous rend plus respectueux de l'environnement et de la biodiversité", explique-t-elle.