La littérature scientifique et technologique est en effervescence avec la nanotechnologie et ses applications manufacturières et médicales. Mais c'est dans un domaine avec une aura moins fastueuse – les sciences végétales – où les progrès de la nanotechnologie contribuent considérablement à l'agriculture.

Des chercheurs de l'Iowa State University ont maintenant démontré la capacité de fournir des protéines et de l'ADN dans les cellules végétales, simultanément. Ceci est important car cela ouvre désormais des opportunités pour une édition plus sophistiquée et ciblée du génome des plantes, des techniques qui nécessitent la livraison précise de protéines et d'ADN pour apporter des modifications génétiques spécifiques aux plantes cultivées. De telles modifications deviennent de plus en plus importantes face à nos climats changeants en tant que nouveaux insectes ravageurs, les maladies des plantes et les stress du sol apparaissent là où il y en avait peu auparavant.

Alors que la livraison d'ADN dans les cellules est devenue une routine, l'apport de protéines et d'enzymes aux cellules animales et végétales s'est avéré plus difficile. L'avancement de la livraison de protéines de l'équipe de l'Iowa State est une réalisation importante à cette fin.

Un article de recherche décrivant l'avancement a été publié en ligne par la revue Matériaux fonctionnels avancés . Le travail a été partiellement parrainé par Pioneer Hi-Bred avec le soutien à long terme du Plant Sciences Institute de l'Iowa State University.

L'équipe de recherche de l'État de l'Iowa comprend Kan Wang, professeur d'agronomie; Brian Trewyn, chercheur associé en chimie; Susana Martin-Ortigosa, un chercheur associé post-doctoral en agronomie; et Justin Valenstein, un doctorant en chimie.

Les nanoparticules sont de minuscules matériaux qui ont la taille équivalente de plusieurs molécules côte à côte ou la taille d'un gros virus. Un seul nanomètre est un milliardième de mètre. Le virus qui cause le SIDA mesure environ 100 nanomètres de diamètre.

En utilisant de nouvelles nanoparticules de silice mésoporeuses de type nid d'abeilles et améliorées que l'équipe de l'Iowa State a conçues il y a cinq ans, les chercheurs ont démontré la co-administration de protéines fonctionnelles et d'ADN dans des cellules végétales.

La première génération de ces particules personnalisées était relativement petite (100 nanomètres) et les espaces d'emballage disponibles étaient donc incapables d'accueillir de plus grandes molécules fonctionnelles telles que des protéines ou des enzymes. Cette nouvelle génération est cinq fois plus grande (500 nanomètres) et ressemble à un morceau ultra-fin de céréales Honeycomb.

La clé du succès des chercheurs est une méthode nouvellement conçue pour fabriquer de plus grandes poches uniformes dans les nanoparticules personnalisées. Une modification supplémentaire - le placage à l'or de toute la particule de silice avant l'emballage - a amélioré la liaison à l'ADN et aux protéines pour une charge utile plus sûre.

Pour tester l'efficacité de la nouvelle particule, Wang et ses collègues ont chargé les pores d'une protéine fluorescente verte dérivée de méduses, qui sert de photomarqueur à l'intérieur de la cellule végétale. Prochain, ces particules étaient recouvertes d'ADN codant pour une protéine rouge de corail. Le complexe a ensuite été injecté dans des cellules végétales à l'aide d'un canon à gènes, une méthode traditionnelle de livraison de gènes qui fait passer des matières étrangères à travers la paroi cellulaire protectrice de la plante.

L'innovation de placage à l'or a ajouté un poids balistique grandement nécessaire aux particules, assurant leur capacité à bouleverser la paroi cellulaire végétale une fois libérée du canon à gènes.

Les cellules qui émettent une fluorescence rouge et verte en même temps confirment une livraison réussie. L'équipe a fait ses preuves dans l'oignon, cellules de tabac et de maïs.

Le travail est une réalisation tangible des efforts déployés par l'équipe au stade de la conception il y a à peine deux ans, lorsque son collègue Victor Lin de l'Iowa State University et du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie est décédé subitement. "C'était un scientifique si brillant, " dit Wang. "Nous nous sommes tous sentis complètement perdus quand nous l'avons perdu."

Mais l'équipe s'est ressaisie, capitalisant sur l'excellente formation que tous avaient reçue en travaillant avec Lin pour faire de cette particule de nouvelle génération une réalité.

"Nous aurions été incapables d'arranger quoi que ce soit l'un sans l'autre, ", dit Wang. "Ce succès prouve que son héritage continue."