Des chercheurs du MIT ont développé un nouvel outil génétique qui pourrait faciliter la conception de plantes capables de survivre à la sécheresse ou de résister aux infections fongiques. Leur technique, qui utilise des nanoparticules pour délivrer des gènes dans les chloroplastes des cellules végétales, fonctionne avec de nombreuses espèces végétales différentes, y compris les épinards et autres légumes.

Cette nouvelle stratégie pourrait aider les phytobiologistes à surmonter les difficultés liées à la modification génétique des plantes, qui est maintenant un complexe, processus fastidieux qui doit être adapté aux espèces végétales spécifiques qui sont modifiées.

"Il s'agit d'un mécanisme universel qui fonctionne à travers les espèces végétales, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT, sur la nouvelle méthode.

Strano et Nam-Hai Chua, vice-président du Temasek Life Sciences Laboratory à l'Université nationale de Singapour et professeur émérite à l'Université Rockefeller, sont les auteurs principaux de l'étude, qui paraît dans le numéro du 25 février de Nature Nanotechnologie .

"C'est un premier pas important vers la transformation des chloroplastes, ", dit Chua. "Cette technique peut être utilisée pour le criblage rapide de gènes candidats pour l'expression des chloroplastes dans une grande variété de plantes cultivées."

Cette étude est la première à émerger du programme récemment lancé de l'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART) sur les technologies perturbatrices et durables pour la précision agricole (DiSTAP), qui est dirigé par Strano et Chua. Les principaux auteurs de l'étude sont l'ancien postdoctorant du MIT Seon-Yeong Kwak, qui est aujourd'hui le directeur scientifique du programme DiSTAP, et Tedrick Thomas Salim Lew, étudiant diplômé du MIT.

Cibler les chloroplastes

Il y a quelques années, Strano et ses collègues ont découvert qu'en ajustant la taille et la charge électrique des nanoparticules, ils pourraient concevoir les nanoparticules pour pénétrer les membranes des cellules végétales. Ce mécanisme, appelée pénétration de l'enveloppe d'échange lipidique (LEEP), leur a permis de créer des plantes qui brillent, en enrobant des nanoparticules porteuses de luciférase, une protéine électroluminescente, dans leurs feuilles.

Dès que l'équipe du MIT a signalé avoir utilisé LEEP pour introduire des nanoparticules dans les plantes, les biologistes des plantes ont commencé à se demander s'il pouvait être utilisé pour modifier génétiquement des plantes, et plus précisément, pour introduire des gènes dans les chloroplastes. Les cellules végétales ont des dizaines de chloroplastes, ainsi, induire les chloroplastes (au lieu du noyau uniquement) à exprimer des gènes pourrait être un moyen de générer des quantités beaucoup plus importantes d'une protéine souhaitée.

« Apporter des outils génétiques à différentes parties de la plante est quelque chose qui intéresse beaucoup les biologistes des plantes, " dit Strano. "Chaque fois que je donne une conférence à une communauté de biologie végétale, ils demandent si vous pouvez utiliser cette technique pour livrer des gènes au chloroplaste."

Le chloroplaste, mieux connu comme le site de la photosynthèse, contient environ 80 gènes, qui codent pour les protéines nécessaires à la photosynthèse. Le chloroplaste possède également ses propres ribosomes, lui permettant d'assembler des protéines dans le chloroplaste. Jusqu'à maintenant, il a été très difficile pour les scientifiques d'introduire des gènes dans le chloroplaste :la seule technique existante nécessite l'utilisation d'un « canon à gènes » à haute pression pour forcer les gènes dans les cellules, ce qui peut endommager la plante et n'est pas très efficace.

En utilisant leur nouvelle stratégie, l'équipe du MIT a créé des nanoparticules constituées de nanotubes de carbone enveloppés de chitosane, un sucre naturel. ADN, qui est chargé négativement, se lie de manière lâche aux nanotubes de carbone chargés positivement. Pour obtenir les nanoparticules dans les feuilles des plantes, les chercheurs appliquent une seringue sans aiguille remplie de la solution de particules sur la face inférieure de la surface de la feuille. Les particules pénètrent dans la feuille par de minuscules pores appelés stomates, qui contrôlent normalement l'évaporation de l'eau.

Une fois à l'intérieur de la feuille, les nanoparticules traversent la paroi cellulaire végétale, membranes cellulaires, puis les doubles membranes du chloroplaste. Une fois que les particules ont pénétré dans le chloroplaste, l'environnement légèrement moins acide du chloroplaste provoque la libération de l'ADN des nanoparticules. Une fois libéré, l'ADN peut être traduit en protéines.

Dans cette étude, les chercheurs ont livré un gène pour la protéine fluorescente jaune, leur permettant de visualiser facilement quelles cellules végétales ont exprimé la protéine. Ils ont découvert qu'environ 47 pour cent des cellules végétales produisaient la protéine, mais ils pensent que cela pourrait être augmenté s'ils pouvaient fournir plus de particules.

Des plantes plus résistantes

Un avantage majeur de cette approche est qu'elle peut être utilisée sur de nombreuses espèces végétales. Dans cette étude, les chercheurs l'ont testé sur des épinards, cresson, le tabac, Roquette, et Arabidopsis thaliana, un type de plante couramment utilisé dans la recherche. Ils ont également montré que la technique ne se limite pas aux nanotubes de carbone et peut potentiellement être étendue à d'autres types de nanomatériaux.

Les chercheurs espèrent que ce nouvel outil permettra aux biologistes végétaux de concevoir plus facilement une variété de traits souhaitables dans les légumes et les cultures. Par exemple, les chercheurs agricoles à Singapour et ailleurs s'intéressent à la création de légumes à feuilles et de cultures pouvant pousser à des densités plus élevées, pour l'agriculture urbaine. D'autres possibilités incluent la création de cultures résistantes à la sécheresse; des cultures d'ingénierie telles que les bananes, agrumes, et le café pour être résistant aux infections fongiques qui menacent de les anéantir; et en modifiant le riz pour qu'il n'absorbe pas l'arsenic des eaux souterraines.

Parce que les gènes modifiés ne sont transportés que dans les chloroplastes, qui sont hérités maternellement, ils peuvent être transmis à la progéniture mais ne peuvent pas être transférés à d'autres espèces végétales.

"C'est un gros avantage, car si le pollen a une modification génétique, il peut se propager aux mauvaises herbes et vous pouvez fabriquer des mauvaises herbes résistantes aux herbicides et aux pesticides. Parce que le chloroplaste est transmis par la mère, il ne passe pas par le pollen et il y a un niveau plus élevé de confinement des gènes, " dit Lew.