Les nanomatériaux peuvent permettre aux plantes d'avoir des fonctions nouvelles et augmentées. Cette plante Arabidopsis avec des nanotubes de carbone à l'intérieur de ses feuilles a augmenté la capture d'énergie lumineuse et pourrait agir comme un détecteur biochimique photonique. Crédit :Juan Pablo Giraldo
Les plantes ont de nombreuses fonctions précieuses :elles fournissent de la nourriture et du carburant, libérer l'oxygène que nous respirons, et ajouter de la beauté à notre environnement. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT veut rendre les plantes encore plus utiles en les augmentant avec des nanomatériaux qui pourraient améliorer leur production d'énergie et leur donner des fonctions complètement nouvelles, comme la surveillance des polluants environnementaux.
Dans un nouveau Matériaux naturels papier, les chercheurs rapportent augmenter la capacité des plantes à capturer l'énergie lumineuse de 30 pour cent en incorporant des nanotubes de carbone dans le chloroplaste, l'organite de la plante où se déroule la photosynthèse. En utilisant un autre type de nanotube de carbone, ils ont également modifié les plantes pour détecter le gaz oxyde nitrique.
Ensemble, ceux-ci représentent les premières étapes du lancement d'un domaine scientifique que les chercheurs ont baptisé « nanobionics végétales ».
« Les plantes sont très attractives comme plateforme technologique, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique et chef de l'équipe de recherche du MIT. "Ils se réparent, ils sont écologiquement stables à l'extérieur, ils survivent dans des environnements difficiles, et ils fournissent leur propre source d'énergie et leur propre distribution d'eau.
Strano et l'auteur principal de l'article, post-doctorant et biologiste végétal Juan Pablo Giraldo, envisager de transformer les usines en auto-alimentés, dispositifs photoniques tels que les détecteurs d'explosifs ou d'armes chimiques. Les chercheurs travaillent également à l'incorporation d'appareils électroniques dans les plantes. "Le potentiel est vraiment infini, " dit Strano.
Photosynthèse suralimentée
L'idée des plantes nanobioniques est née d'un projet dans le laboratoire de Strano pour construire des cellules solaires auto-réparatrices modelées sur des cellules végétales. Comme prochaine étape, les chercheurs voulaient essayer d'améliorer la fonction photosynthétique des chloroplastes isolés des plantes, pour une utilisation possible dans les cellules solaires.
Les chloroplastes hébergent toutes les machines nécessaires à la photosynthèse, qui se déroule en deux étapes. Au cours de la première étape, les pigments tels que la chlorophylle absorbent la lumière, qui excite les électrons qui traversent les membranes thylakoïdes du chloroplaste. La plante capte cette énergie électrique et l'utilise pour alimenter la deuxième étape de la photosynthèse, la fabrication de sucres.
La fluorescence proche infrarouge des nanotubes de carbone (orange) infiltrés à l'intérieur des feuilles (vert) pourrait stimuler la photosynthèse et permettre la détection de produits biochimiques et de polluants. Crédit :Juan Pablo Giraldo et Nicole M. Iverson
Les chloroplastes peuvent encore effectuer ces réactions lorsqu'ils sont retirés des plantes, mais au bout de quelques heures, ils commencent à se décomposer car la lumière et l'oxygène endommagent les protéines photosynthétiques. Habituellement, les plantes peuvent réparer complètement ce genre de dommages, mais les chloroplastes extraits ne peuvent pas le faire seuls.
Pour prolonger la productivité des chloroplastes, les chercheurs les ont intégrés avec des nanoparticules d'oxyde de cérium, également connu sous le nom de nanocérie. Ces particules sont des antioxydants très puissants qui piègent les radicaux d'oxygène et d'autres molécules hautement réactives produites par la lumière et l'oxygène, protéger les chloroplastes des dommages.
Les chercheurs ont introduit de la nanocérie dans les chloroplastes à l'aide d'une nouvelle technique qu'ils ont développée appelée pénétration de l'enveloppe d'échange lipidique, ou LEEP. Envelopper les particules dans de l'acide polyacrylique, une molécule très chargée, permet aux particules de pénétrer dans le gras, membranes hydrophobes qui entourent les chloroplastes. Dans ces chloroplastes, les niveaux de molécules nocives ont chuté de façon spectaculaire.
En utilisant la même technique de livraison, les chercheurs ont également intégré des nanotubes de carbone semi-conducteurs, recouvert d'ADN chargé négativement, dans les chloroplastes. Les plantes n'utilisent généralement qu'environ 10 pour cent de la lumière du soleil dont elles disposent, mais les nanotubes de carbone pourraient agir comme des antennes artificielles permettant aux chloroplastes de capter des longueurs d'onde de lumière qui ne se situent pas dans leur plage normale, comme l'ultraviolet, vert, et proche infrarouge.
Avec des nanotubes de carbone semblant agir comme un « photoabsorbeur prothétique, " L'activité photosynthétique, mesurée par le taux de flux d'électrons à travers les membranes thylakoïdes, était de 49% supérieure à celle des chloroplastes isolés sans nanotubes intégrés. Lorsque la nanocérie et les nanotubes de carbone ont été livrés ensemble, les chloroplastes sont restés actifs pendant quelques heures supplémentaires.
Les chercheurs se sont ensuite tournés vers les plantes vivantes et ont utilisé une technique appelée infusion vasculaire pour introduire des nanoparticules dans Arabidopsis thaliana , une petite plante à fleurs. En utilisant cette méthode, les chercheurs ont appliqué une solution de nanoparticules sur la face inférieure de la feuille, où il a pénétré de minuscules pores appelés stomates, qui permettent normalement au dioxyde de carbone de s'écouler et à l'oxygène de s'échapper. Dans ces plantes, les nanotubes se sont déplacés dans le chloroplaste et ont augmenté le flux d'électrons photosynthétique d'environ 30 pour cent.
Il reste à découvrir comment ce flux d'électrons supplémentaire influence la production de sucre des plantes. « C'est une question à laquelle nous essayons toujours de répondre en laboratoire :quel est l'impact des nanoparticules sur la production de carburants chimiques comme le glucose ? dit Giraldo.
Imagerie de la fluorescence de nanotubes de carbone à l'intérieur des feuilles d'une plante d'Arabidopsis à l'aide d'un microscope proche infrarouge à une seule particule. Crédit :Bryce Vicmark
Machines vertes maigres
Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient Arabidopsis thaliana plantes en capteurs chimiques en délivrant des nanotubes de carbone qui détectent le monoxyde d'azote gazeux, un polluant environnemental produit par combustion.
Le laboratoire de Strano a déjà développé des capteurs à nanotubes de carbone pour de nombreux produits chimiques différents, y compris le peroxyde d'hydrogène, l'explosif TNT, et le gaz neurotoxique sarin. Lorsque la molécule cible se lie à un polymère enroulé autour du nanotube, il modifie la fluorescence du tube.
"Nous pourrions un jour utiliser ces nanotubes de carbone pour fabriquer des capteurs qui détectent en temps réel, au niveau de la particule unique, radicaux libres ou molécules de signalisation à très faible concentration et difficilement détectables, " dit Giraldo.
En adaptant les capteurs à différentes cibles, les chercheurs espèrent développer des plantes qui pourraient être utilisées pour surveiller la pollution de l'environnement, pesticides, les infections fongiques, ou l'exposition à des toxines bactériennes. Ils travaillent également à l'incorporation de nanomatériaux électroniques, comme le graphène, en plantes.
"À l'heure actuelle, presque personne ne travaille dans ce domaine émergent, " dit Giraldo. " C'est une opportunité pour les gens de la biologie végétale et de la communauté des nanotechnologies du génie chimique de travailler ensemble dans un domaine qui a un grand potentiel. "
