Les arbres lumineux qui peuvent remplacer les lampadaires et les épinards qui peuvent envoyer des e-mails pour avertir de l’approche d’un danger ressemblent à de la fantaisie.
Mais un laboratoire du Massachusetts Institute of Technology, pionnier de ce que son scientifique principal, le professeur Michael Strano, a appelé la nanobionique végétale, rapproche ces choses de la réalité.
Plutôt que d’altérer les gènes pour amener les plantes à faire certaines choses, la nanobionique végétale y insère de minuscules pièces de machinerie – de minuscules particules artificielles qui peuvent accéder aux cellules d’une plante et même aux structures sous-cellulaires, telles que les chloroplastes.
Les scientifiques savent depuis un certain temps que les plantes communiquent entre elles et avec le monde extérieur, mais les recherches de Strano permettent aux humains de pirater les signaux qu’une plante s’envoie, obligeant la plante à signaler ce qui se passe – par e-mail.
« La plante est extrêmement sensible à tout ; par exemple, le stress thermique. Il sait quand il y aura sécheresse avant les humains. Il détecte les piqûres d’insectes », a déclaré Strano au La Lettre Sépharade dans une interview sur Zoom.
En 2016, le laboratoire de Strano a publié des recherches montrant que la nanobionique pouvait être utilisée pour exploiter les capacités de détection ultra-sensibles d’une plante, permettant aux agriculteurs et à d’autres d’accéder aux outils de diagnostic de la plante.
Parce qu’elles ne sont pas mobiles de manière indépendante, les plantes ont développé un ensemble extraordinaire de compétences pour surveiller et agir sur les moindres changements de leur environnement.
Les racines, qui doivent chercher de l’eau et des nutriments, sont capables de détecter les substances qui peuvent mettre en danger la plante, comme les polluants ou les ravageurs du sol.
L’équipe de Strano a réussi à développer et à intégrer de minuscules capteurs dans le tissu vasculaire porteur d’eau des feuilles d’épinards pour recueillir des informations sur les matériaux aspirés par les racines et envoyés aux feuilles.
Ces capteurs sont fabriqués en combinant des tubes infiniment petits avec un revêtement polymère pour créer une fluorescence et émettre de la lumière.
Les nanotubes mesurent de 0,7 à 1,5 nanomètre de diamètre et peuvent atteindre des centaines de nanomètres de long. Étant donné que 25 400 000 nanomètres équivaut à seulement un pouce, ils ne peuvent être vus qu’avec un microscope électronique.
Les capteurs incandescents sont si petits qu’ils peuvent littéralement être poussés dans la feuille sans nuire à la plante, où la fluorescence change de couleur au moment où le matériau cible se lie au revêtement polymère.
Ce changement de couleur est capté par une caméra infrarouge, qui envoie une alerte à un téléphone portable ou à une adresse e-mail.
La recherche révolutionnaire a été initialement conçue pour utiliser des plantes pour identifier les mines terrestres, mais elle ouvre la possibilité de détecter la qualité de l’eau, la pollution de l’air ou une foule d’autres changements.
La recherche, vieille de près de cinq ans, a de nouveau fait la une des journaux le mois dernier, grâce à un article d’Euronews avec le titre alléchant « Les scientifiques ont appris aux épinards à envoyer des e-mails et cela pourrait nous avertir du changement climatique ».
Rien ne dit que c’est 2021 comme… https://t.co/EDIX5JN7NX
La partie folle est que c’est intelligent et que ça va arriver
– Marc Cubain (@mcuban) 2 février 2021
En novembre, l’entreprise de recherche du MIT à Singapour a publié une recherche dans laquelle les racines des plantes ont identifié l’arsenic dans les eaux souterraines – un véritable problème pour de nombreux riziculteurs qui ne peuvent pas se permettre des tests en laboratoire.
Le laboratoire de Strano a également commencé à « tourner le [nano]capteurs vers l’intérieur » pour intercepter les signaux chimiques que la plante envoie lorsqu’elle est en situation de stress.
Les plantes ne détectent pas seulement les problèmes, mais ont aussi « une signalisation interne comme les humains ont des nerfs », a déclaré Strano.
« Sur votre téléphone, vous pouvez voir que la plante a subi une piqûre qui a brisé les tissus, ou qu’une partie de la plante est trop chaude. C’est une grande percée. Il donne aux scientifiques, aux agriculteurs et aux ingénieurs agronomes des informations en temps réel sur ce que vit la plante. Cela conduira à [the development of] 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.
« C’est la signalisation chimique à laquelle les scientifiques n’avaient pas accès auparavant », a-t-il déclaré. « Si un insecte pique, 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 occupera. Quand tu sens l’herbe coupée c’est l’herbe [blades emitting volatile organic compounds] avertir les autres herbes que des dommages mécaniques sont en route.
Arbre de lumière
Il y a quelques années, l’équipe de Strano a trouvé un moyen de faire briller les plantes en insérant trois types de nanoparticules, dont l’une enrichie en luciférase, l’enzyme qui permet à une foule de créatures d’attirer des partenaires ou de la nourriture ou de repousser les ennemis par bioluminescence — ils s’allument littéralement.
« Vous pourriez manger l’une de nos plantes lumineuses », a-t-il dit, même si, en riant, il a admis qu’il ne savait pas si le mangeur s’allumerait également.
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 qu’elle avait déjà réussi à fournir une quantité de lumière indirecte à peu près équivalente à l’accentuation. cordons lumineux dans une pièce.
C’est plus qu’un simple tour de passe-passe. « Le monde consacre 20 % de son budget énergétique mondial à l’éclairage », a-t-il déclaré. « Pour le monde en développement et pour des raisons liées au changement climatique, si vous pouvez le faire, vous pouvez avoir un impact mondial. »
Strano a déclaré que ses chercheurs avaient réussi à produire une plante d’oreille d’éléphant rougeoyante (taro), dont les feuilles peuvent atteindre trois à cinq pieds de long.
« Les plantes que nous utilisons sont de plus en plus grandes », a-t-il déclaré, notant que le laboratoire proposait au MIT d’intégrer des plantes lumineuses dans l’éclairage hors réseau du campus.
« L’idée est de faire des arbres qui peuvent être des lampadaires, des plantes d’intérieur qui peuvent servir de lampes auto-réparatrices. Les plantes deviennent plus brillantes et durent plus longtemps. Notre objectif est d’avoir 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 émettant de la lumière, mais par modification génétique. Strano a déclaré que les deux approches ne sont pas mutuellement exclusives et que des éléments des deux pourraient être utilisés ensemble. Mais, a-t-il ajouté, « je crois que nous avons créé l’être vivant le plus brillant. »
La recherche nanobionique sur les plantes a commencé lorsque Strano a décidé d’étudier le potentiel des 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 vous pouvez penser », a-t-il déclaré. « Ils peuvent survivre à la lumière du soleil et à l’oxygène [as the polymers] se décomposent et se réparent constamment. Il faudra un certain temps avant que les ingénieurs ne mettent au point ces mécanismes.
Il a poursuivi : « Nous avons découvert que certains types de petites nanoparticules [made from materials such as] le carbone, ou l’or, pourrait pénétrer non seulement dans la cellule de la plante, mais aussi dans le chloroplaste, jusqu’à l’endroit où se produit la photosynthèse. Au meilleur de sa connaissance, son laboratoire est le premier à faire ce dernier.
« Finalement, nous avons proposé une théorie qui vous explique comment fabriquer une nanoparticule et la placer n’importe où à l’intérieur de la plante », a-t-il déclaré. « Cela permet à n’importe qui de pirater l’usine. »
Le laboratoire a commencé à utiliser des épinards pour relever le défi ; ses concurrents — les biologistes moléculaires — ont tendance à utiliser d’autres espèces scientifiquement connues telles que le tabac et le cresson (Arabidopsis thaliana). Les chercheurs de Strano continuent d’utiliser les épinards à des fins de continuité et de comparaison, mais leur technique est « indépendante de l’espèce ».
« Contrairement aux biologistes moléculaires, nous pouvons modifier n’importe quelle plante », a-t-il déclaré.
De nombreux anciens membres du groupe de Strano conçoivent maintenant leurs propres dispositifs à nanotubes de carbone, parmi lesquels Gili Bisker, maître de conférences au Département de génie biomédical de l’Université de Tel Aviv.
Elle s’intéresse à la détection de biomarqueurs, des molécules qui peuvent nous dire quelque chose sur une maladie humaine.
