Plantes bioniques : le MIT crée un nouveau champ de recherche à l’interface des nanotechnologies et de la biologie des plantes

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"Nanobionique des plantes"


Hampes florales d’"Arabidopsis thaliana" (arabette des dames)
Crédits : CNRS Photothèque/IBMP / Benoît RAJAU


Un laboratoire du MIT dirigé par le Pr. Michael Strano a publié un article dans Nature Materials sur des recherches relatives à l’utilisation des nanotechnologies dans le monde du végétal. L’équipe de chercheurs du MIT a démontré que la capacité d’absorption du rayonnement solaire par les plantes peut être augmentée de 30% en incorporant des nanotubes de carbone dans les chloroplastes, organites sièges de la photosynthèse. En utilisant différents types de nanotubes de carbone, Ils ont également transformé les plantes en capteurs chimiques pour détecter des substances toxiques ou dangereuses présentes dans l’environnement à très faible dose. Les chercheurs ont baptisé ce nouveau champ de recherche "nanobionique des plantes".

Selon Michael Strano, professeur en génie chimique et spécialiste du carbone, les plantes constituent une plateforme très attractive pour ce type d’expérimentation : elles disposent de capacités auto-réparatrices et sont capables de s’approvisionner en énergie et en eau de manière autonome, y compris dans des environnements hostiles.

Nanotubes de carbone et photosynthèse

Le concept de nanobionique appliquée au monde végétal a germé dans le laboratoire du Pr. Strano alors qu’il souhaitait développer des cellules solaires capables de s’auto-réparer à l’instar de la plupart des plantes. Dans le même temps, son équipe a travaillé sur les technologies à base de nanotubes de carbone susceptibles d’augmenter la photosynthèse des plantes. En effet, les chloroplastes ne sont sensibles qu’à la partie visible du spectre, laquelle ne représente qu’environ 50% de l’énergie incidente ; in fine moins de 10% de l’énergie lumineuse est convertie par la plante. Le Pr. Strano a eu l’idée d’incorporer des nanotubes de carbone au sein des chloroplastes afin de bénéficier de la large capacité d’absorption du spectre lumineux de ces nanoparticules ; celles-ci sont capables de capter les longueurs d’onde non absorbées par les plantes, de l’ultraviolet à l’infra-rouge proche.

Lorsqu’ils sont utilisés ex vivo, les chloroplastes perdent leur capacité à s’auto-réparer et leurs protéines photosynthétiques sont détruites après quelques heures en raison de l’action de la lumière et de l’oxygène. Pour manipuler les chloroplastes prélevés sur des feuilles d’épinard, l’équipe du Pr. Strano a mis au point une technique d’injection dans les chloroplastes de nanoparticules d’oxyde de cérium, capables de piéger les radicaux libres dérivés de l’oxygène et de retarder la destruction des chloroplastes. Cette technique consiste à enrober les nanoparticules de cérium dans de l’acide polyacrylique, une molécule hautement chargée, afin de faciliter le transfert des nanoparticules à travers la membrane lipidique hydrophobe entourant le chloroplaste. Ce type de conditionnement des chloroplastes a réduit très significativement le taux d’altération des organites.

En utilisant la même technique, les chercheurs ont enrobé les nanoparticules de carbone d’ADN chargée négativement afin de les introduire à l’intérieur des chloroplastes. L’activité photosynthétique, mesurée à partir du flux d’électrons traversant les membranes thylakoïdes, était supérieure de 49% par rapport à des chloroplastes sans inclusion de nanotubes. En combinant les nanoparticules d’oxyde de cérium et les nanotubes de carbone, l’activité des chloroplastes a été maintenue pendant plusieurs heures. Les chercheurs ont reproduit l’expérience sur une plante vivante, l’Arabidopsis thaliana, sur laquelle ils ont utilisé une technique de diffusion vasculaire pour introduire des nanoparticules sous les feuilles, via les micropores constitués par les stomates. Sur cette plante, la migration des nanotubes dans les chloroplastes a entraîné une augmentation du flux d’électrons issus de la photosynthèse de 30%.

Les plantes capables de détecter des substances toxiques grâce aux nanotechnologies

L’équipe du Pr. Strano a également montré que la plante Arabidopsis thaliana pouvait être utilisée comme détecteur de substances toxiques en incorporant des nanotubes de carbone spécifiques.

Ces nanomatériaux avaient été mis au point précédemment dans le laboratoire pour détecter des substances dangereuses telles que le TNT ou le gaz sarin. Le principe de détection repose sur une modification de la fluorescence du nanotube qui apparait lorsque la molécule recherchée se lie à un polymère enrobant le nanotube. Selon le Pr Strano, ces technologies à base de nanotubes de carbone associés aux plantes permettront de réaliser des capteurs capables de détecter en temps réel des radicaux libres ou des molécules présentes à l’état de traces dans l’environnement.

Ces travaux, encore à un stade émergent, illustrent les applications potentielles du croisement entre les nanotechnologies et la biologie synthétique pour modifier certaines fonctions des plantes : photosynthèse, capteurs chimiques, réduction du stress. Ces recherches laissent entrevoir des applications dans la surveillance des pollutions, des pesticides, des infections fongiques ou de l’exposition à des bactéries toxiques. Comme toute discipline en émergence, elle soulève de nombreuses questions notamment sur les aspects éthiques et les risques inhérents à l’utilisation des nanotechnologies sur le vivant et dans l’environnement.

Sources :


- Journal Nature materials - http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n4/full/nmat3890.html
- Article MIT News - http://newsoffice.mit.edu/2014/bionic-plants

Rédacteurs :


- Pierre MICHEL - attaché pour la science et la technologie, attache-envt@ambascience-usa.org
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….