Les plantes d’épinards nanobioniques peuvent détecter les explosifs
Les ingénieurs du MIT annoncent qu’ils ont conçu des épinards pour envoyer des e-mails lors de la détection de matériaux explosifs dans les eaux souterraines dans le cadre de la recherche nanobionique végétale
Cela peut ressembler à quelque chose d’un film de science-fiction futuriste, mais les scientifiques ont réussi à concevoir des plants d’épinards capables d’envoyer des e-mails. Grâce à la nanotechnologie, les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont transformé les épinards en capteurs capables de détecter des matériaux explosifs. Ces plantes sont alors capables de relayer sans fil ces informations aux scientifiques. 
Lorsque les racines des épinards détectent la présence de nitroaromatiques dans les eaux souterraines, un composé souvent présent dans les explosifs comme les mines terrestres, les nanotubes de carbone à l’intérieur des feuilles de la plante émettent un signal. Ce signal est ensuite lu par une caméra infrarouge, envoyant un e-mail aux scientifiques.
Qu’est-ce que la nanobionique végétale et pourquoi est-elle utile ?
L’expérience fait partie d’un domaine de recherche plus large qui implique l’ingénierie de composants et de systèmes électroniques dans les plantes. La technologie est connue sous le nom de «nanobionique végétale» et consiste en fait à donner aux plantes de nouvelles capacités. « Les plantes sont de très bons chimistes analytiques », explique le professeur Michael Strano, qui a dirigé la recherche. « Ils ont un vaste réseau de racines dans le sol, échantillonnent constamment les eaux souterraines et ont un moyen d’auto-alimenter le transport de cette eau dans les feuilles. » « Il s’agit d’une nouvelle démonstration de la façon dont nous avons surmonté la barrière de communication plante/homme », ajoute-t-il.
Quel est le potentiel environnemental ? 
Alors que le but de cette expérience était de détecter des explosifs, Strano et d’autres scientifiques pensent qu’elle pourrait être utilisée pour aider à avertir les chercheurs de la pollution et d’autres conditions environnementales. En raison de la grande quantité de données que les plantes absorbent de leur environnement, elles sont idéalement situées pour surveiller les changements écologiques. Dans les premières phases de la recherche nanobionique sur les plantes, Strano a utilisé des nanoparticules pour transformer les plantes en capteurs de polluants. En modifiant la photosynthèse des plantes, il a pu leur faire détecter l’oxyde nitrique, un polluant causé par la combustion.
« Les plantes sont très sensibles à l’environnement », déclare Strano. « Ils savent qu’il va y avoir une sécheresse bien avant nous. Ils peuvent détecter de petits changements dans les propriétés du sol et du potentiel hydrique. Si nous puisons dans ces voies de signalisation chimiques, il y a une mine d’informations auxquelles accéder. Lorsqu’il n’est pas occupé à envoyer des e-mails aux chercheurs, les épinards semblent également détenir la clé pour alimenter efficacement les piles à combustible.
Des scientifiques de l’Université américaine ont découvert que lorsque les épinards sont convertis en nanofeuilles de carbone, ils peuvent fonctionner comme un catalyseur pour aider à rendre les batteries métal-air et les piles à combustible plus efficaces. « Ce travail suggère que des catalyseurs durables peuvent être fabriqués pour une réaction de réduction de l’oxygène à partir de ressources naturelles », explique le professeur Shouzhong Zou, qui a dirigé l’article. Les batteries métal-air sont une alternative plus économe en énergie aux batteries lithium-ion, que l’on trouve couramment dans les produits commerciaux comme les smartphones.
Les épinards ont été spécifiquement choisis en raison de leur richesse en fer et en azote, qui sont des éléments importants dans les composés qui agissent comme catalyseurs. Les chercheurs ont dû laver, presser et broyer les épinards en poudre, les transformant de leur forme comestible en nanofeuilles adaptées au processus. « La méthode que nous avons testée peut produire des catalyseurs à base de carbone hautement actifs à partir d’épinards, qui est une biomasse renouvelable », ajoute Zou. « En fait, nous pensons qu’elle surpasse les catalyseurs au platine commerciaux en termes d’activité et de stabilité. »
Les plantes d’épinards nanobioniques peuvent détecter les explosifs
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— Heinz V. Hoenen 🌻 (@HeinzVHoenen) February 14, 2021
Après avoir détecté des produits chimiques dangereux, les usines renforcées de nanotubes de carbone envoient une alerte.
Les épinards ne sont plus seulement un super aliment : en intégrant des feuilles dans des nanotubes de carbone, les ingénieurs du MIT ont transformé des plants d’épinards en capteurs capables de détecter des explosifs et de transmettre sans fil ces informations à un appareil portable similaire à un smartphone. Il s’agit de l’une des premières démonstrations d’ingénierie de systèmes électroniques dans les plantes, une approche que les chercheurs appellent la « nanobionique végétale ». « L’objectif de la nanobionique végétale est d’introduire des nanoparticules dans la plante pour lui donner des fonctions non natives », explique Michael Strano, professeur de génie chimique Carbon P. Dubbs au MIT et chef de l’équipe de recherche.
Strano est l’auteur principal d’un article décrivant les plantes nanobioniques dans le numéro du 31 octobre de Nature Materials. Les auteurs principaux de l’article sont Min Hao Wong, un étudiant diplômé du MIT qui a créé une entreprise appelée Plantea pour développer davantage cette technologie, et Juan Pablo Giraldo, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de Californie à Riverside.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont intégré des capteurs de composés nitroaromatiques dans les feuilles des plants d’épinards. En utilisant une technique appelée infusion vasculaire, qui consiste à appliquer une solution de nanoparticules sur la face inférieure de la feuille, ils ont placé les capteurs dans une couche de feuille connue sous le nom de mésophylle, où se déroule la plupart de la photosynthèse. Ils intègrent également des nanotubes de carbone qui émettent un signal fluorescent constant qui sert de référence. Cela permet aux chercheurs de comparer les deux signaux fluorescents, ce qui permet de déterminer plus facilement si le capteur d’explosifs a détecté quelque chose. S’il y a des molécules explosives dans les eaux souterraines, il faut environ 10 minutes à la plante pour les aspirer dans les feuilles, où elles rencontrent le détecteur.
Pour lire le signal, les chercheurs dirigent un laser sur la feuille, incitant les nanotubes de la feuille à émettre une lumière fluorescente dans le proche infrarouge. Cela peut être détecté avec une petite caméra infrarouge connectée à un Raspberry Pi, un ordinateur de la taille d’une carte de crédit à 35 $ similaire à l’ordinateur à l’intérieur d’un smartphone. Selon les chercheurs, le signal pourrait également être détecté avec un smartphone en supprimant le filtre infrarouge de la plupart des téléphones avec appareil photo. « Cette configuration pourrait être remplacée par un téléphone portable et le bon type d’appareil photo », explique Strano. « C’est juste le filtre infrarouge qui vous empêcherait d’utiliser votre téléphone portable. » En utilisant cette configuration, les chercheurs peuvent capter un signal à environ 1 mètre de la plante, et ils travaillent maintenant à augmenter cette distance.
Michael McAlpine, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université du Minnesota, affirme que cette approche présente un grand potentiel pour l’ingénierie non seulement des capteurs, mais de nombreux autres types de plantes bioniques susceptibles de recevoir des signaux radio ou de changer de couleur. « Lorsque des matériaux artificiels s’infiltrent dans un organisme vivant, les plantes peuvent faire des choses qu’elles ne font pas habituellement », explique McAlpine, qui n’a pas participé à la recherche. « Une fois que vous commencez à penser aux organismes vivants comme les plantes comme des biomatériaux qui peuvent être combinés avec des matériaux électroniques, tout cela est possible. »
«Une mine d’informations»
Dans l’étude sur la nanobionique végétale de 2014, le laboratoire de Strano a travaillé avec une plante de laboratoire commune connue sous le nom d’Arabidopsis thaliana. Cependant, les chercheurs ont voulu utiliser des plantes d’épinards communes pour la dernière étude, afin de démontrer la polyvalence de cette technique. « Vous pouvez appliquer ces techniques avec n’importe quelle plante vivante », explique Strano.
Jusqu’à présent, les chercheurs ont également conçu des plantes d’épinards capables de détecter la dopamine, qui influence la croissance des racines des plantes, et ils travaillent maintenant sur des capteurs supplémentaires, dont certains qui suivent les produits chimiques que les plantes utilisent pour transmettre des informations dans leurs propres tissus. « Les plantes sont très sensibles à l’environnement », déclare Strano. « Ils savent qu’il va y avoir une sécheresse bien avant nous. Ils peuvent détecter de petits changements dans les propriétés du sol et du potentiel hydrique. Si nous puisons dans ces voies de signalisation chimiques, il y a une mine d’informations auxquelles accéder.
Ces capteurs pourraient également aider les botanistes à en savoir plus sur le fonctionnement interne des plantes, à surveiller la santé des plantes et à maximiser le rendement de composés rares synthétisés par des plantes telles que la pervenche de Madagascar, qui produit des médicaments utilisés pour traiter le cancer. « Ces capteurs donnent des informations en temps réel sur l’usine. C’est presque comme si l’usine nous parlait de l’environnement dans lequel elle se trouve », déclare Wong. « Dans le cas de l’agriculture de précision, disposer de telles informations peut affecter directement le rendement et les marges. »
https://news.mit.edu/2016/nanobionic-spinach-plants-detect-explosives-1031