Imaginez qu'au lieu d'allumer une lampe quand il fait noir, vous pouviez lire à la lumière d'une plante rougeoyante sur votre bureau.

Les ingénieurs du MIT ont franchi une première étape cruciale pour faire de cette vision une réalité. En incorporant des nanoparticules spécialisées dans les feuilles d'un plant de cresson, ils ont incité les plantes à émettre une lumière tamisée pendant près de quatre heures. Ils croient que, avec une optimisation supplémentaire, de telles plantes seront un jour assez lumineuses pour éclairer un espace de travail.

« La vision est de créer une plante qui fonctionnera comme une lampe de bureau – une lampe que vous n'avez pas à brancher. La lumière est finalement alimentée par le métabolisme énergétique de la plante elle-même, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et l'auteur principal de l'étude.

Cette technologie pourrait également être utilisée pour fournir un éclairage intérieur de faible intensité, ou pour transformer des arbres en lampadaires auto-alimentés, disent les chercheurs.

Le postdoctorant du MIT, Seon-Yeong Kwak, est l'auteur principal de l'étude, qui paraît dans le journal Lettres nano .

Plantes nanobioniques

Nanobionique végétale, un nouveau domaine de recherche mis au point par le laboratoire de Strano, vise à donner aux plantes de nouvelles fonctionnalités en les incorporant à différents types de nanoparticules. L'objectif du groupe est de concevoir des usines pour prendre en charge bon nombre des fonctions maintenant remplies par les appareils électriques. Les chercheurs ont déjà conçu des usines capables de détecter des explosifs et de communiquer ces informations à un smartphone, ainsi que des plantes qui peuvent surveiller les conditions de sécheresse.

Éclairage, qui représente environ 20 pour cent de la consommation mondiale d'énergie, semblait être une prochaine cible logique. "Les plantes peuvent s'auto-réparer, ils ont leur propre énergie, et ils sont déjà adaptés à l'environnement extérieur, " dit Strano. "Nous pensons que c'est une idée dont le temps est venu. C'est un problème parfait pour la nanobionique végétale."

Pour créer leurs plantes lumineuses, l'équipe du MIT s'est tournée vers la luciférase, l'enzyme qui donne aux lucioles leur éclat. La luciférase agit sur une molécule appelée luciférine, l'amenant à émettre de la lumière. Une autre molécule appelée co-enzyme A aide le processus en éliminant un sous-produit de réaction qui peut inhiber l'activité de la luciférase.

L'équipe du MIT a conditionné chacun de ces trois composants dans un type différent de support de nanoparticules. Les nanoparticules, qui sont tous fabriqués à partir de matériaux que la Food and Drug Administration des États-Unis classe comme « généralement considérés comme sûrs, " aident chaque composant à atteindre la bonne partie de la plante. Ils empêchent également les composants d'atteindre des concentrations qui pourraient être toxiques pour les plantes.

Les chercheurs ont utilisé des nanoparticules de silice d'environ 10 nanomètres de diamètre pour transporter la luciférase, et ils ont utilisé des particules légèrement plus grosses des polymères PLGA et chitosan pour transporter la luciférine et la coenzyme A, respectivement. Pour obtenir les particules dans les feuilles des plantes, les chercheurs ont d'abord suspendu les particules dans une solution. Les plantes ont été immergées dans la solution puis exposées à une pression élevée, permettant aux particules d'entrer dans les feuilles à travers de minuscules pores appelés stomates.

Les particules libérant de la luciférine et de la coenzyme A ont été conçues pour s'accumuler dans l'espace extracellulaire du mésophylle, une couche interne de la feuille, tandis que les particules plus petites portant la luciférase pénètrent dans les cellules qui composent le mésophylle. Les particules de PLGA libèrent progressivement de la luciférine, qui pénètre ensuite dans les cellules végétales, où la luciférase effectue la réaction chimique qui fait briller la luciférine.

Les premiers efforts des chercheurs au début du projet ont donné des plantes qui pouvaient briller pendant environ 45 minutes, qu'ils ont depuis amélioré à 3,5 heures. La lumière générée par un semis de cresson de 10 centimètres est actuellement d'environ un millième de la quantité nécessaire pour lire, mais les chercheurs pensent pouvoir amplifier la lumière émise, ainsi que la durée de la lumière, en optimisant davantage la concentration et les taux de libération des composants.

Transformation végétale

Les efforts précédents pour créer des plantes électroluminescentes se sont appuyés sur des plantes génétiquement modifiées pour exprimer le gène de la luciférase, mais c'est un processus laborieux qui produit une lumière extrêmement faible. Ces études ont été réalisées sur des plants de tabac et Arabidopsis thaliana, qui sont couramment utilisés pour les études phytogénétiques. Cependant, la méthode développée par le laboratoire de Strano pourrait être utilisée sur n'importe quel type de plante. Jusque là, ils l'ont démontré avec la roquette, chou frisé, et épinards, en plus du cresson.

Pour les futures versions de cette technologie, les chercheurs espèrent développer un moyen de peindre ou de pulvériser les nanoparticules sur les feuilles des plantes, qui pourrait permettre de transformer les arbres et autres grandes plantes en sources lumineuses.

"Notre objectif est d'effectuer un traitement lorsque la plante est une plantule ou une plante mature, et la faire durer toute la durée de vie de la plante, " dit Strano. " Notre travail ouvre très sérieusement la porte à des lampadaires qui ne sont que des arbres traités, et à l'éclairage indirect autour des maisons."

Les chercheurs ont également démontré qu'ils pouvaient éteindre la lumière en ajoutant des nanoparticules portant un inhibiteur de la luciférase. Cela pourrait leur permettre à terme de créer des plantes qui coupent leur émission lumineuse en réponse aux conditions environnementales telles que la lumière du soleil, disent les chercheurs.