La première technique d’administration de médicaments à base de micro-aiguilles au monde pour les plantes

Des chercheurs du Groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) de Singapour-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), l’entreprise de recherche du MIT à Singapour, et leurs collaborateurs du Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) et Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a développé la toute première technique d’administration de médicaments à base de micro-aiguilles pour les plantes.

Le procédé peut être utilisé pour délivrer avec précision des quantités contrôlées de produits agrochimiques à des tissus végétaux spécifiques à des fins de recherche. Lorsqu’il est appliqué sur le terrain, il pourrait être utilisé dans l’agriculture de précision pour améliorer la qualité des cultures et la gestion des maladies.

L’augmentation des conditions environnementales causées par le changement climatique, une population humaine sans cesse croissante, la rareté des terres arables et des ressources limitées poussent l’industrie agricole à adopter des pratiques plus durables et précises qui favorisent une utilisation plus efficace des ressources (par exemple, l’eau, les engrais et les pesticides) et l’atténuation des impacts environnementaux. Le développement de systèmes de distribution qui déploient efficacement des produits agrochimiques tels que des micronutriments, des pesticides et des antibiotiques dans les cultures contribuera à assurer une productivité élevée et une qualité élevée des produits tout en minimisant le gaspillage des ressources.

Cependant, les pratiques actuelles et standard d’application agrochimique sur les plantes, telles que la pulvérisation foliaire, sont inefficaces en raison de l’application hors cible, du ruissellement rapide sous la pluie et de la dégradation rapide des actifs. Ces pratiques entraînent également des effets secondaires néfastes importants sur l’environnement, tels que la contamination de l’eau et des sols, la perte de biodiversité et la dégradation des écosystèmes ; et les problèmes de santé publique, tels que les problèmes respiratoires, l’exposition aux produits chimiques et la contamination des aliments.

La nouvelle technique de micro-aiguilles à base de soie développée par SMART contourne ces limitations en déployant et en ciblant une quantité connue de charge utile directement dans les tissus profonds d’une plante, ce qui conduira à une plus grande efficacité de la croissance des plantes et aidera à la gestion des maladies. La technique est peu invasive car elle délivre le composé sans causer de dommages à long terme aux plantes et est écologiquement durable. Il minimise le gaspillage des ressources et atténue les effets secondaires néfastes causés par la contamination agrochimique de l’environnement. De plus, il contribuera à favoriser des pratiques agricoles précises et fournira de nouveaux outils pour étudier les plantes et concevoir des traits de culture, contribuant ainsi à assurer la sécurité alimentaire.

Décrit dans un article intitulé « Drug Delivery in Plants Using Silk Microneedles », publié dans le numéro de janvier 2023 de Matériaux avancés, la recherche étudie les toutes premières micro-aiguilles polymères utilisées pour administrer de petits composés à une grande variété de plantes et la réponse des plantes à l’injection de biomatériaux. Grâce à l’analyse de l’expression génique, les chercheurs ont pu examiner de près les réactions à l’administration de médicaments après l’injection de micro-aiguilles. Une formation minime de cicatrices et de callosités a été observée, suggérant une blessure minime induite par l’injection à la plante. La preuve de concept fournie dans cette étude ouvre la porte à l’application des micro-aiguilles végétales en biologie végétale et en agriculture, permettant de nouveaux moyens de réguler la physiologie végétale et d’étudier les métabolismes via une livraison efficace et efficiente des charges utiles.

L’étude a optimisé la conception des micro-aiguilles pour cibler le système de transport systémique d’Arabidopsis (cressonnière), la plante modèle choisie. L’acide gibbérellique (GA3), un régulateur de croissance des plantes largement utilisé en agriculture, a été sélectionné pour la livraison. Les chercheurs ont découvert que l’administration de GA3 par le biais de micro-aiguilles était plus efficace pour favoriser la croissance que les méthodes traditionnelles (telles que la pulvérisation foliaire). Ils ont ensuite confirmé l’efficacité à l’aide de méthodes génétiques et démontré que la technique est applicable à diverses espèces végétales, notamment les légumes, les céréales, le soja et le riz.

Le professeur Benedetto Marelli, co-auteur correspondant de l’article, chercheur principal à DiSTAP et professeur agrégé de génie civil et environnemental au MIT, a déclaré : « La technique permet d’économiser des ressources par rapport aux méthodes actuelles de distribution agrochimique, qui souffrent de gaspillage. l’application, les micro-aiguilles traversent les barrières tissulaires et libèrent des composés directement à l’intérieur des plantes, évitant les pertes agrochimiques.La technique permet également un contrôle précis des quantités de produits agrochimiques utilisés, assurant une agriculture de précision de haute technologie et une croissance des cultures pour optimiser le rendement.  »

« Cette technique, la première du genre, est révolutionnaire pour l’industrie agricole. Elle minimise également le gaspillage des ressources et la contamination de l’environnement. fermes pour une livraison agrochimique précise et une gestion des maladies », a ajouté le Dr Yunteng Cao, premier auteur de l’article et associé postdoctoral en génie civil et environnemental au MIT.

« Ce travail souligne également l’importance d’utiliser des outils génétiques pour étudier les réponses des plantes aux biomatériaux. L’analyse de ces réponses au niveau génétique offre une compréhension globale de ces réponses, servant ainsi de guide pour le développement de futurs biomatériaux pouvant être utilisés à travers le monde. l’industrie agroalimentaire », a déclaré Sally Koh, co-première auteure de ce travail et titulaire d’un doctorat. candidat de l’Université nationale de Singapour (NUS) et TLL.

L’avenir semble prometteur, comme l’a expliqué le professeur Daisuke Urano, co-auteur correspondant de l’article, chercheur principal TLL et professeur adjoint auxiliaire NUS : « Notre recherche a validé l’utilisation de micro-aiguilles à base de soie pour l’application agrochimique, et nous sommes impatients de développer davantage la technique et la conception de micro-aiguilles dans un modèle évolutif pour la fabrication et la commercialisation. En même temps, nous étudions également activement les applications potentielles qui pourraient avoir un impact significatif sur la société.