Scientifiques de Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), un groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) de la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), L'entreprise de recherche du MIT à Singapour, ont conçu un nouveau type de capteur optique nanobionique végétal capable de détecter et de surveiller, en temps réel, niveaux d'arsenic, un métal lourd hautement toxique, dans l'environnement souterrain. Ce développement offre des avantages significatifs par rapport aux méthodes conventionnelles utilisées pour mesurer l'arsenic dans l'environnement et sera important à la fois pour la surveillance environnementale et les applications agricoles afin de garantir la sécurité alimentaire, comme l'arsenic est un contaminant dans de nombreux produits agricoles courants tels que le riz, les légume, et des feuilles de thé.

Cette nouvelle approche est décrite dans un article intitulé, « Capteurs nanobioniques végétaux pour la détection de l'arsenic, " publié récemment dans Matériaux avancés . Le document était dirigé par le Dr Tedrick Thomas Salim Lew, un récent étudiant diplômé du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et co-écrit par Michael Strano, co-chercheur principal de DiSTAP et professeur Carbon P. Dubbs au MIT, ainsi que le parc Minkyung et Jianqiao Cui, les deux étudiants diplômés du MIT.

L'arsenic et ses composés constituent une menace sérieuse pour l'homme et les écosystèmes. L'exposition à long terme à l'arsenic chez l'homme peut provoquer un large éventail d'effets nocifs sur la santé, y compris les maladies cardiovasculaires telles que la crise cardiaque, Diabète, malformations congénitales, lésions cutanées sévères, et de nombreux cancers dont ceux de la peau, vessie, et poumon. Des niveaux élevés d'arsenic dans le sol en raison d'activités anthropiques telles que l'exploitation minière et la fonte sont également nocifs pour les plantes, inhibant la croissance et entraînant des pertes de récolte substantielles. Plus troublant, les cultures vivrières peuvent absorber l'arsenic du sol, conduisant à la contamination des aliments et des produits consommés par l'homme. L'arsenic dans les environnements souterrains peut également contaminer les eaux souterraines et d'autres sources d'eau souterraines, dont la consommation à long terme peut causer de graves problèmes de santé. En tant que tel, développement précis, efficace, et des capteurs d'arsenic faciles à déployer sont importants pour protéger à la fois l'industrie agricole et la sécurité environnementale au sens large.

Ces nouveaux nanocapteurs optiques développés par SMART DiSTAP présentent des changements dans leur intensité de fluorescence lors de la détection de l'arsenic. Intégré dans les tissus végétaux sans effets néfastes sur la plante, ces capteurs offrent un moyen non destructif de surveiller la dynamique interne de l'arsenic absorbé par les plantes du sol. Cette intégration de nanocapteurs optiques au sein des plantes vivantes permet la conversion des plantes en détecteurs auto-alimentés d'arsenic à partir de leur environnement naturel, marquant une amélioration significative par rapport aux méthodes d'échantillonnage de l'arsenic exigeantes en temps et en équipement des méthodes conventionnelles actuelles.

L'auteur principal, le Dr Tedrick Thomas Salim Lew, a déclaré :"Notre nanocapteur à base de plantes est remarquable non seulement pour être le premier du genre, mais aussi pour les avantages importants qu'il confère par rapport aux méthodes conventionnelles de mesure des niveaux d'arsenic dans le milieu souterrain, nécessitant moins de temps, équipement, et main d'oeuvre. Nous prévoyons que cette innovation finira par être largement utilisée dans l'industrie agricole et au-delà. Je remercie SMART DiSTAP et Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), qui ont tous deux joué un rôle dans la génération d'idées, discussion scientifique ainsi que le financement de la recherche pour ce travail.

En plus de détecter l'arsenic dans le riz et les épinards, l'équipe a également utilisé une espèce de fougère, Pteris cretica, qui peut hyperaccumuler l'arsenic. Cette espèce de fougère peut absorber et tolérer des niveaux élevés d'arsenic sans effet néfaste. capable de détecter de très faibles concentrations d'arsenic, aussi bas que 0,2 partie par milliard (ppb). En revanche, la limite réglementaire pour les détecteurs d'arsenic est de 10 parties par milliard. Notamment, les nouveaux nanocapteurs peuvent également être intégrés dans d'autres espèces de plantes. Il s'agit de la première démonstration réussie de capteurs à base de plantes vivantes pour l'arsenic et représente une avancée révolutionnaire qui pourrait s'avérer très utile à la fois dans la recherche agricole (par exemple pour surveiller l'arsenic absorbé par les cultures comestibles pour la sécurité alimentaire), ainsi que dans la surveillance générale de l'environnement.

Précédemment, les méthodes conventionnelles de mesure des niveaux d'arsenic comprenaient un échantillonnage régulier sur le terrain, digestion des tissus végétaux, extraction et analyse par spectrométrie de masse. Ces méthodes prennent du temps, nécessitent un traitement approfondi des échantillons, et impliquent souvent l'utilisation d'instruments encombrants et coûteux. La nouvelle méthode de SMART DiSTAP consistant à coupler des capteurs de nanoparticules avec la capacité naturelle des plantes à extraire efficacement des analytes via les racines et à les transporter permet la détection de l'absorption d'arsenic dans les plantes vivantes en temps réel avec des appareils portables, électronique pas chère, comme une plate-forme portable Raspberry Pi équipée d'une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD), semblable à un appareil photo pour smartphone.

Coauteur, Chercheur principal co-responsable de DiSTAP, et le professeur du MIT Michael Strano a ajouté, "C'est un développement extrêmement excitant, comme, pour la première fois, nous avons développé un capteur nanobionique capable de détecter l'arsenic, un contaminant environnemental grave et une menace potentielle pour la santé publique. Avec ses nombreux avantages par rapport aux anciennes méthodes de détection de l'arsenic, ce nouveau capteur pourrait changer la donne, car elle est non seulement plus rapide, mais aussi plus précise et plus facile à déployer que les anciennes méthodes. Cela aidera également les phytotechniciens d'organisations telles que TLL à produire davantage de cultures qui résistent à l'absorption d'éléments toxiques. Inspiré par les efforts récents de TLL pour créer des cultures de riz qui consomment moins d'arsenic, ce travail est un effort parallèle pour soutenir davantage les efforts de SMART DiSTAP dans la recherche sur la sécurité alimentaire, innovant et développant constamment de nouvelles capacités technologiques pour améliorer la qualité et la sécurité des aliments à Singapour."