Il est possible, grâce aux nanomatériaux, d’améliorer l’absorption d’énergie lumineuse chez la plante Arabidopsis thaliana. © Juan Pablo Giraldo

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Les nanotubes de carbone musclent la photosynthèse des plantes

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Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont réussi à booster la photosynthèse en insérant des nanomatériaux dans des plantes. Un nouveau champ de recherche à la croisée des nanotechnologies et de la biologie végétale est en train d'émerger.

Dans un article paru dans Nature Materials, les chercheurs expliquent comment ils ont réussi à stimuler l'absorption d'énergie lumineuse de plantes grâce des nanotubes de carbone. Pour Michael Strano, professeur au MIT et auteur de l'article, c'est un vaste domaine de recherche qui est en train de naître : « Le potentiel est vraiment sans fin ». Les plantes sont particulièrement intéressantes en tant que plateforme technologique : elles sont capables de se réparer elles-mêmes, de survivre dans des environnements difficiles et de fournir leur propre source d'énergie.

Ici, en plus d'augmenter la photosynthèse, les chercheurs ont aussi montré qu'ils pouvaient transformer la plante grâce à des nanomatériaux pour détecter le monoxyde d’azote (NO), un polluant produit par la combustion. En adaptant ces détecteurs minuscules à d'autres cibles, les chercheurs espèrent développer des plantes qui pourraient suivre différentes pollutions environnementales.

Des chercheurs ont utilisé les pores présents à l’envers des feuilles, les stomates, pour faire entrer les nanoparticules. © Juan Pablo Giraldo, Nicole M. Iverson

Superphotosynthèse issue des nanotechnologies

Les plantes produisent de l'énergie par photosynthèse grâce à organites cellulaires : les chloroplastes. La photosynthèse a lieu en deux étapes. Tout d'abord, des pigments comme la chlorophylle absorbent les radiations lumineuses, ce qui excite des électrons qui se déplacent dans les membranes du chloroplaste. La plante utilise ensuite cette énergie électrique pour la fabrication de sucres. Or, les chloroplastes n'utilisent qu'une partie des radiations du soleil, dans la lumière visible. Comme des nanotubes de carbone peuvent absorber la lumière dans l'ultraviolet, le visible et le proche infrarouge, les chercheurs ont eu l'idée de s'en servir comme antennes artificielles pour capter des longueurs d'onde habituellement inutilisées par les chloroplastes.

La première étape de cette recherche consistait donc à insérer des nanoparticules à l'intérieur des chloroplastes. Grâce à une technique développée dans leur laboratoire, les chercheurs ont montré que les nanotubes de carbone s'inséraient dans des chloroplastes en s'assemblant spontanément. Ce mouvement des nanotubes de carbone à travers les membranes du chloroplaste se ferait grâce à des mécanismes passifs, par diffusion et par une réaction de surface spontanée. L'activité photosynthétique des chloroplastes a ainsi pu être stimulée : le transport des électrons a augmenté de 49 % grâce aux nanotubes. Des feuilles infiltrées avec des solutions de nanotubes à 2,5 et 5 mg/l ont vu des augmentations du transport des électrons de 27 % et 31 %. Par conséquent, les nanotubes de carbone sont capables de stimuler la conversion de l'énergie solaire par les chloroplastes, in vivo et ex vivo.

Autre avantage de ces nanomatériaux : ils permettent de limiter les dommages dus aux radicaux libres. En effet, les chloroplastes isolés de plantes peuvent réaliser la photosynthèse ex vivo, mais ils arrêtent de fonctionner au bout de quelques heures à cause des dommages occasionnés par la lumière et l'oxygène. Les plantes sont capables de les réparer, mais des chloroplastes seuls ne peuvent pas le faire. Des nanoparticules antioxydantes peuvent capturer les radicaux libres et donc augmenter la productivité des chloroplastes.