Les labos tournent une nouvelle feuille de la « nanobiotique des végétaux »

Des arbres lumineux qui peuvent remplacer l’éclairage public, et des épinards en capacité d’envoyer des courriels pour mettre en garde contre des dangers se profilant à l’horizon : des perspectives qui ressemblent, de prime abord, à des récits de science-fiction.

Mais un laboratoire du MIT (Institut de technologie du Massachusetts), pionnier dans ce que le professeur Michael Strano, son chercheur en chef, appelle la nanobiotique végétale, pourrait bien en faire une réalité.

Plutôt que de procéder à des manipulations génétiques visant à amener les plantes à faire certaines choses, la nanobiotique végétale consiste à insérer dans les plantes des dispositifs minuscules – des particules d’ingénierie qui sont en mesure d’accéder aux cellules d’une plante et même à ses structures sous-cellulaires, comme les chloroplastes.

Cela fait un certain temps que les scientifiques savent que les plantes communiquent entre elles et avec le monde extérieur, mais les recherches menées par Strano pourraient donner la possibilité aux êtres humains de « pirater » les signaux envoyés par la plante, amenant cette dernière à faire part de ce qui est en train d’arriver – par courriel.

« La plante est excessivement sensible à tout : par exemple, au stress induit par la chaleur. Elle sait qu’il va y avoir la sécheresse avant les êtres humains. Elle ressent même les morsures d’insectes », a expliqué Strano au Times of Israël au cours d’un entretien accordé via Zoom.

En 2016, le laboratoire de Strano avait publié une recherche montrant que la nanobiotique pouvait être utilisée pour exploiter les capacités de détection hypersensibles des végétaux, offrant aux agriculteurs – mais pas seulement – les outils de diagnostic des plantes.

Parce qu’elles n’ont pas de mobilité indépendante, les plantes ont développé une série de compétences extraordinaires pour contrôler et réagir au changement le plus minimaliste survenant dans leur environnement.

Le professeur Michael Strano. (Capture d’écran)

Les racines, qui doivent chercher de l’eau et des nutriments, peuvent détecter les substances susceptibles de mettre en danger la plante, comme les polluants et les parasites qui lui sont nuisibles.

L’équipe de Strano a réussi à développer et à intégrer des capteurs minuscules dans les tissus vasculaires qui servent à transporter l’eau dans les feuilles d’épinard pour recueillir des informations sur les matériaux recueillis par les racines et envoyés dans les feuilles.

Ces capteurs sont fabriqués en combinant des tubes d’une taille infinitésimale avec un revêtement en polymère pour créer un phénomène de fluorescence et émettre de la lumière.

Ces nanotubes mesurent 0,7 à 0,15 nanomètres de diamètre et peuvent faire des centaines de nanomètres de long. Dans la mesure où 25 400 000 nanomètres n’équivalent qu’à 2,54 centimètres, ils ne sont observables qu’à l’aide d’un microscope électronique.

Les capteurs lumineux sont si petits qu’ils peuvent être introduits dans la feuille sans nuire à la plante, où la fluorescence change de couleur au moment où le matériau-cible se lie au revêtement en polymère.

Ce changement de couleur est détecté par une caméra infrarouge qui envoie un signal d’alerte à un téléphone cellulaire ou à une adresse courriel.

Cette recherche innovante avait été, à l’origine, créée pour que les plantes soient en mesure d’identifier les mines antipersonnel, mais elle a toutefois le potentiel d’aider à contrôler la qualité de l’eau, la pollution de l’air et une grande variété d’autres facteurs.

Cette recherche, qui a été lancée il y a presque cinq ans, a fait une nouvelle fois les gros titres, le mois dernier, grâce à un reportage d’Euronews au titre alléchant : « Les scientifiques ont appris aux épinards à envoyer des courriels et ils pourraient nous mettre en garde face au changement climatique. »

https://twitter.com/mcuban/status/1356599431827779586

Au mois de novembre, le groupe de recherche du MIT à Singapour a publié une étude dans laquelle il a établi que des racines de végétaux avaient pu identifier de l’arsenic dans les nappes phréatiques – un problème réel pour de nombreux cultivateurs de riz qui n’ont pas les moyens de s’offrir des tests en laboratoire.

Un agriculteur, Ben Burgess, dans un champ de riz situé près de Coy, dans l’Arkansas, le 7 août 2013. (Crédit : AP Photo/Danny Johnston, File)

Le laboratoire de Strano a également commencé à « tourner les [nano] capteurs vers l’intérieur » pour intercepter les signaux chimiques que la plante envoie lorsqu’elle est soumise à un stress.

Les plantes ne détectent pas seulement les problèmes, mais possèdent « une signalisation interne tout comme les humains ont des nerfs », a déclaré Strano.

« Sur votre téléphone, vous pouvez voir que la plante a subi une morsure qui a cassé le tissu, ou qu’une partie de la plante est trop chaude. C’est une grande avancée. Il donne aux scientifiques, aux agriculteurs et aux ingénieurs agricoles des informations en temps réel sur ce que vit la plante. Cela mènera au [développement] d’outils agricoles », a-t-il déclaré.

En avril 2020, le laboratoire de Strano a publié des recherches montrant que les signaux envoyés à la suite d’une « blessure mécanique » pouvaient être captés par un nanocapteur.

Un coléoptère ‘altise’ au laboratoire de recherche sur les plantes invasives USDA/ARS à Ft. Lauderdale, en Floride. (Crédit : Gregory Wheeler/USDA via AP)

« Les scientifiques n’avaient pas accès à la signalisation chimique jusqu’à maintenant », a-t-il déclaré. « Si un insecte mord, le signal chimique se déplace dans toute la plante. En réponse, la plante générera des produits chimiques – des composés organiques volatils – pour tenter de dissuader ou de tuer l’envahisseur ou d’attirer un autre type de ravageur qui s’en chargera. Lorsque vous sentez de l’herbe coupée, c’est l’herbe [des brins émettant des composés organiques volatils] qui avertit l’autre herbe que des dommages mécaniques sont en route. »

L’arbre de vie

Il y a quelques années, l’équipe de Strano a trouvé un moyen pour faire briller les plantes en insérant trois types de nanoparticules – dont l’une enrichie en luciférase –, l’enzyme qui permet à une multitude de créatures d’attirer des partenaires ou de la nourriture, ou de repousser les ennemis par bioluminescence. Ainsi, elles s’illuminent littéralement.

« Vous pourriez manger l’une de nos plantes qui brillent », dit-il. Et d’admettre en riant ne pas savoir si le mangeur s’allumerait aussi !

L’objectif est de produire – via la « chimiluminescence » – suffisamment de lumière végétale pour permettre à un humain de lire, a poursuivi Strano, ajoutant qu’un architecte travaillant avec l’équipe a confirmé avoir déjà réussi à fournir une quantité de lumière indirecte à peu près équivalente à un rayon de lumière dans une pièce.

Cela n’a rien à voir avec un tour de magie. « Le monde consacre 20 % de son budget énergétique mondial à l’éclairage », a-t-il déclaré. « Pour les pays en développement et pour des raisons liées au changement climatique, cette technique pourrait avoir un impact mondial. »

Strano a déclaré que ses chercheurs avaient réussi à produire une plante d’oreille d’éléphant (taro) brillante, dont les feuilles pouvaient atteindre un à deux mètres de long.

« Les plantes que nous utilisons sont de plus en plus grandes », a-t-il déclaré, soulignant que le laboratoire proposait au MIT de les utiliser pour éclairer le campus hors réseau.

Une feuille d’oreille d’éléphant, ou taro. (Crédit : মৌচুমী – CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)

« L’idée est de fabriquer des arbres qui peuvent servir de lampadaires, des plantes d’intérieur qui pourraient être des lampes auto-réparables. Les plantes deviennent plus brillantes et durent plus longtemps. Nous voulons obtenir des plantes qui brillent toute la nuit et se rechargent pendant la journée », a-t-il déclaré.

Un article sur le sujet devrait être publié prochainement.

Une équipe russe de biologistes moléculaires a également réussi à créer des plantes électroluminescentes par modification génétique. Strano a déclaré que les deux approches ne s’excluaient pas mutuellement, et étaient au contraire complémentaires dans leur utilisation. « Je pense que nous avons fait la chose vivante la plus brillante », a-t-il ajouté.

Une image de panneaux solaires photovoltaïques au-dessus d’un hangar pour vaches à Kfar Vitkin. (Crédit : Chen Leopold/Flash90)

La recherche nanobionique sur les plantes a commencé quand Strano a décidé d’étudier le potentiel de cellules auto-réparatrices dans un panneau solaire, ce qui l’a amené à se pencher sur les cellules végétales auto-réparatrices.

« Les plantes utilisent les polymères les plus fragiles auxquels on puisse penser », a-t-il déclaré. « Elles peuvent survivre à la lumière du soleil et à l’oxygène [car les polymères] se décomposent et se réparent constamment. Il faudra un certain temps avant que les ingénieurs mettent au point ces mécanismes.

« Nous avons découvert que certains types de petites nanoparticules [fabriquées à partir de matériaux tels que] le carbone ou l’or pouvaient pénétrer non seulement dans la cellule de la plante, mais aussi dans le chloroplaste, jusqu’à l’endroit où se produit la photosynthèse », a-t-il ajouté en expliquant qu’à sa connaissance, son laboratoire était pionnier en la matière.

« En fait, nous avons élaboré une théorie qui explique comment fabriquer une nanoparticule et la placer n’importe où à l’intérieur d’une plante », a-t-il déclaré. « Ce qui permet à n’importe qui de la pirater. »

Des plants d’épinards cultivés à la Dillner Family Farm à Gibsonia, en Pennsylvanie. (Crédit : AP Photo/Keith Srakocic)

Le laboratoire a commencé par utiliser des épinards. Les biologistes moléculaires utilisent en général d’autres espèces scientifiquement plus connues comme le tabac et l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana). Les équipes de Strano utilisent les épinards pour la continuité mais aussi pour la comparaison, mais leur technique est « indépendante de l’espèce ».

« Contrairement aux biologistes moléculaires, nous pouvons modifier n’importe quelle plante », a-t-il déclaré.

Un grand nombre des anciens chercheurs du groupe de Strano créent dorénavant leurs propres dispositifs de nanotubes carbone, et parmi eux Gili Bisker, maître de conférence au Département de génie biomédical à l’université de Tel Aviv.

Elle s’intéresse à la détection des biomarqueurs – les molécules qui peuvent nous en apprendre davantage sur une maladie humaine.