How lab-grown lichen could help us to build habitations on Mars

Lorsque j’examine habituellement les lichens, je suis dans une forêt et j’observe les froufrous sur les branches d’arbres avec ma loupe. Ou sur des rochers exposés en hauteur dans les Alpes, ou sur de vieilles pierres tombales, ou sur le bord de mer rocheux, dans la zone où les algues cessent de pousser mais avant que de plus grandes plantes terrestres ne prennent le relais. J’ai observé beaucoup de lichens lors de mes recherches pour un livre sur la symbiose, mais je ne les ai jamais vus auparavant, c’est dans un flacon de laboratoire tourbillonnant dans un incubateur. Et même si je pense souvent à ce que les lichens nous disent sur le passé, je n’avais pas encore récemment pensé à ce qu’ils nous disent sur l’avenir.

Le fluide vert trouble que je regarde dans l’incubateur n’est pas du tout ce que nous considérons comme un lichen, qui est un partenariat symbiotique entre un champignon et une algue. “C’est parce qu’il s’agit d’un lichen synthétique”, explique Rodrigo Ledesma-Amaro, directeur du Bezos Center for Sustainable Protein ici à l’Imperial College de Londres. Le fluide est une co-culture de deux espèces, un champignon (levure) et une cyanobactérie. Comme un lichen naturel, le champignon fournit un échafaudage, une structure hôte pour la bactérie, et la bactérie fabrique des sucres par photosynthèse en utilisant la lumière, l’eau et le dioxyde de carbone, et les nourrit au champignon.

Pourquoi diable voudriez-vous faire une telle potion ? Parce que, me dit Ledesma-Amaro, nous pouvons modifier le génome de la levure pour qu’elle crée toutes sortes de produits utiles – aliments, carburants, produits chimiques, matériaux, produits pharmaceutiques – et si nous pouvons piloter cette production par la photosynthèse, alors nous pouvons fabriquer ces choses de manière durable. C’est pour cette raison que les lichens synthétiques suscitent un engouement non seulement dans l’industrie biotechnologique, mais aussi au-delà. Il s’avère que les lichens pourraient être exploités pour réparer des bâtiments, lutter contre la crise climatique et même construire des habitations sur Mars.

“Les lichens synthétiques recréent la symbiose des lichens naturels, mais se développent beaucoup plus rapidement, et l’utilisation de la levure comme partenaire nous permet de produire de manière durable toute une gamme de composés de grande valeur”, explique Ledesma-Amaro. La levure est un organisme industrialisé bien connu, « programmable » et facile à cultiver à grande échelle. Dans le lichen synthétique que je vois, Ledesma-Amaro et son équipe utilisent une levure génétiquement modifiée pour fabriquer du caryophyllène, un composé qui a des applications dans les industries pharmaceutique, cosmétique et pétrolière. Dans un avenir proche, il prévoit une gamme de produits utiles : antibiotiques, biocarburants et huile de palme synthétique. Une autre forme de lichen synthétique pourrait être conçue pour capter et stocker le dioxyde de carbone. D’autres scientifiques voient des lichens être utilisés pour réparer des structures en béton vieillissantes partout dans le monde. Les ambitions pour les lichens sont élevées, allant même au-delà de notre propre planète. Sur la Lune et sur Mars, la NASA et des sociétés spatiales privées prévoient d’utiliser le lichen spatial synthétique – connu sous le nom de matériau vivant artificiel – pour pousser sur le régolithe et fabriquer des matériaux destinés à la construction de bâtiments et de meubles.

Vivre ensemble

D’apparence modeste et à croissance lente, les lichens sont la manifestation archétypale de la symbiose, qui signifie « vivre ensemble » et fait référence à la cohabitation de deux espèces différentes. Dans le cas du lichen, l’explication classique est qu’un partenaire fongique héberge un individu d’une autre espèce, connu sous le nom de photobionte. Il s’agit généralement d’algues, mais parfois de bactéries, qui fabriquent de la nourriture par photosynthèse et la partagent avec leur hôte. Le partenaire fongique offre, entre autres, une superbe protection contre les éléments, de sorte que le lichen peut survivre dans des conditions extrêmes où rien d’autre ne peut gagner sa vie. C’est pourquoi certains scientifiques réutilisent les lichens et créent leurs propres versions synthétiques.

Les lichens ont deux qualités en leur faveur. Premièrement, en tant qu’organisme symbiotique, le tout est plus grand que la somme de ses parties. En d’autres termes, chaque lichen peut faire des choses que le champignon ou le photobionte seul ne peuvent pas faire. De loin, les lichens peuvent paraître modestes en apparence, mais de près, ce sont des organismes complexes, luxuriants et charismatiques. Les lichens naturels sont également bien plus que le partenariat classique entre deux espèces de champignons et d’algues. Souvent, ces deux organismes, plus un champignon secondaire sous forme de levure et une espèce bactérienne supplémentaire, forment une communauté de quatre personnes. Mais même cela est une sous-estimation. « Dans la nature, ce que nous appelons familièrement un « lichen » est en réalité une communauté de plusieurs dizaines, voire centaines, de microbes différents », explique Arjun Khakhar, biologiste qui fabrique des lichens synthétiques à l’Université d’État du Colorado. “Deux lichens qui semblent identiques et qui sont côte à côte peuvent avoir des membres extrêmement différents.” Diverses analyses de tissus de lichens frais ont révélé qu’ils contiennent entre 1 million et 100 millions de bactéries par gramme.

Le deuxième avantage des lichens est qu’ils sont robustes. Ils peuvent vivre et photosynthétiser dans les conditions les plus difficiles. Au Svalbard, loin dans le cercle polaire arctique, il existe environ 700 espèces de lichens. Ils font face aux basses températures, à l’aridité et aux forts rayonnements ultraviolets. Au bord de la mer, elles tolèrent des immersions répétées dans l’eau salée – une expérience à laquelle la plupart des autres plantes terrestres ne peuvent pas faire face. Certaines espèces poussent à l’intérieur de la roche (lichen « endolithique », littéralement « à l’intérieur de la roche »). La question reste ouverte de savoir quel aspect de leur biologie leur permet de faire face au dessèchement et aux températures extrêmes.

Au Colorado, Khakhar suggère que la résilience des lichens provient des biomolécules produites par le champignon filamenteux, qui protègent l’ensemble de la communauté du lichen. “Les molécules uniques qu’il est capable de fabriquer sont potentiellement dues à la capacité des lichens à exploiter la biochimie bactérienne et fongique en répartissant les tâches dans la communauté”, explique-t-il. Par exemple, les composants des photobiontes peuvent fabriquer divers pigments avec la chlorophylle, et le champignon peut fabriquer un écran solaire en synthétisant des composés tels que les caroténoïdes (les pigments des carottes, des tomates mûres et des feuilles d’automne) et les mélanines (qui colorent notre peau). Ensemble, la communauté symbiotique des lichens a accès à une plus grande gamme de composés qu’un seul organisme ne peut espérer produire, ce qui libère le super pouvoir du lichen. Physiquement également, la composante fongique aide à protéger la communauté des variations de température et d’humidité. Ensuite, il y a sa croissance lente, qui lui permet de vivre avec un minimum de ressources.

Les lichens dans l’espace

Ces attributs ont suffi à enthousiasmer la NASA. Les lichens peuvent survivre à une exposition à des conditions spatiales simulées et réelles. Depuis 2014, une espèce de lichen appelée Circinaire gyrosa a vécu – ou du moins, n’est pas mort – sur une étagère à l’extérieur de la Station spatiale internationale pendant 18 mois. Lorsqu’on l’a ramené à l’intérieur et qu’on lui a donné de l’eau, il a commencé à grandir. Le fait que les lichens puissent se développer à l’intérieur de la roche et tolérer les conditions de l’espace excite les partisans de la lithopanspermie, l’idée selon laquelle les microbes pourraient voyager entre les planètes dans les astéroïdes.

Congrui Jin, ingénieur spécialisé dans les matériaux vivants à la Texas A&M University, a commencé à réfléchir au potentiel des lichens pour un projet avant-gardiste de la NASA visant à trouver des moyens efficaces de construire des lieux de vie et de travail sur Mars – dès que nous y arriverons. Certaines propositions de logements hors planète reposent sur des structures gonflables, l’idée étant qu’il faut moins de matériaux pour fabriquer des logements remplis d’air. Mais chaque élément préfabriqué transporté par fusée là-bas reste cher. Une alternative moins coûteuse au transport de tels objets depuis la Terre consiste à trouver un moyen de produire des matériaux de construction à partir du régolithe déjà présent sur la planète. Pour Jin, les lichens sont la solution parfaite. Mais une espèce présente naturellement ne fonctionne pas nécessairement.

“Nous souhaitons associer ces champignons à certaines espèces photosynthétiques comme les cyanobactéries. Ils peuvent convertir la lumière du soleil et l’eau en nutriments organiques et précipiter du carbonate de calcium”, explique-t-elle. “Il agit comme une colle pour lier les particules du sol sur Mars en une structure cohésive.” Ce biomatériau peut ensuite être utilisé dans une imprimante 3D pour produire des matériaux de construction – sols, cloisons, murs, meubles, etc. La majeure partie de ce dont vous avez besoin, qu’il s’agisse de lumière solaire, de dioxyde de carbone, d’eau, de nutriments ou de vastes réserves de basalte, se trouve déjà sur Mars.

Les travaux de Jin ont récemment montré que les lichens sont des candidats prometteurs pour transformer le régolithe de Mars en matériau de construction et pour produire d’autres biominéraux et biopolymères. Les lichens sont résistants et certains futuristes enthousiastes les considèrent comme de bons candidats pour contribuer à la terraformation de la planète rouge. Mais même s’il n’y avait pas de mesures de protection planétaire à respecter, les lichens ne pourraient pas se développer à la surface de Mars, exposée aux éléments. Mars n’a pas de champ magnétique et toute vie à la surface doit être protégée des radiations intenses. Ainsi, Jin imagine ses lichens martiens poussant dans des abris.

L’avenir du bâtiment

Cependant, la colonisation d’autres planètes est encore loin et Jin a réalisé que ses lichens avaient un rôle plus immédiat sur Terre. Il existe de nombreuses occasions où il serait utile de lier les décombres et d’en faire un matériau de construction utilisable. Pensez aux bâtiments détruits par les catastrophes naturelles et d’origine humaine. De plus, un moyen de séquestrer le carbone pendant le processus de fabrication du béton contribuerait à modérer son énorme empreinte carbone. Et si nous pouvions produire du béton auto-cicatrisant ? Les bâtiments et les structures seraient moins chers à entretenir et auraient également une durée de vie plus longue. Les tentatives précédentes visant à utiliser des microbes pour remplir ces fonctions ont échoué car le béton est un endroit inhospitalier où vivre. Mais si les lichens peuvent s’adapter à l’espace, pensa Jin, ils peuvent sûrement s’adapter au béton.

Jin et ses collègues ont montré qu’une approche basée sur les lichens, associant des champignons à des cyanobactéries, permet de créer une co-culture pouvant se développer sur du béton. De plus, son lichen synthétique précipite du carbonate de calcium – le minéral qui forme la craie, le calcaire et le marbre – cicatrisant ainsi les fissures de la structure. “Nous avons essayé des champignons filamenteux et des cyanobactéries et avons constaté qu’ils avaient une meilleure capacité de survie [than other microbes] dans les conditions sèches et pauvres en nutriments du béton”, dit-elle. “Ils s’entendent bien et le processus est autonome, et ils ont également [a] très bonne capacité à précipiter le carbonate de calcium. Contrairement aux approches monospécifiques, la co-culture ne nécessite pas l’ajout de nutriments externes, car le lichen synthétique extrait l’azote de l’air et fabrique son propre engrais.

Khakhar tente également de créer un lichen à croissance rapide en sélectionnant des microbes qui se développent déjà rapidement, avant de les modifier et de les associer pour ressembler à un lichen. Son laboratoire, dans le cadre d’un travail similaire à celui de Jin, a fabriqué un lichen synthétique dans lequel le composant fongique se minéralise. “Les champignons filamenteux sont nourris par les cyanobactéries qui y sont incorporées et développent un mycélium doté d’un exosquelette en pierre”, explique-t-il. « À l’avenir, cela permettra la biofabrication durable de matériaux de construction. » Il appelle le produit modifié mycomatériaux.

Mes recherches sur la symbiose ont approfondi mon appréciation des lichens en tant que mini-écosystèmes dynamiques, une leçon vivante de la réalité de l’interdépendance, tout comme la compréhension de leur potentiel de science-fiction dans la fabrication des matériaux de demain. Alors la prochaine fois que vous verrez ces froufrous sur un arbre, une pierre tombale ou un vieux banc, prenez peut-être un moment pour faire une pause – et réfléchissez à la merveille qui façonne l’avenir que vous voyez.