La demande mondiale croissante d’aliments d’origine végétale rend l’utilisation de pesticides nécessaire pour protéger les cultures contre les ravageurs et garantir les rendements des cultures. Il existe cependant un inconvénient majeur : l’utilisation généralisée de pesticides a entraîné dans le passé une réduction considérable des populations d’insectes. Le déclin des abeilles sauvages, qui contribuent largement à la pollinisation et sont donc essentielles aux rendements agricoles, est particulièrement préoccupante.
Pour résoudre ce dilemme, les scientifiques de l’Institut Fraunhofer pour les microsystèmes électroniques et les technologies du solide (EMFT en abrégé) travaillent au développement de nouveaux types de capteurs dans le cadre du projet de recherche Ökotox. Ces capteurs sont destinés à contribuer à l’identification des substances « hostiles aux abeilles » dès les premières phases de développement de nouveaux produits phytopharmaceutiques.
« Notre objectif est que ces capteurs indiquent un effet nocif sur les insectes en quelques heures et permettent en même temps de tester de nombreuses substances en parallèle, ce qui permet d’économiser du temps et de l’argent », explique le professeur Joachim Wegener. Wegener dirige le département Fraunhofer « Technologie des capteurs cellulaires », situé sur le campus de l’Université de Ratisbonne (UR) et étroitement lié à l’Institut de chimie analytique, de chimio et de biocapteurs de l’UR.
Le concept de base de la nouvelle approche repose sur l’utilisation de cellules d’insectes comme capteurs. Ces cellules ont le métabolisme typique des insectes respectifs et peuvent indiquer tout impact nocif lorsqu’elles sont exposées à des substances bioactives. « Les cellules sont transférées dans des boîtes de laboratoire équipées de microélectrodes au fond », explique Wegener. Dans ces réseaux dits multi-électrodes, la résistance des cellules au courant alternatif (impédance) est déterminée en temps réel et rend compte des effets nocifs sur les cellules.
La méthode pourrait compléter les tests bioanalytiques conventionnels, utilisés pour déterminer la concentration toxique du principe actif isolé. Cependant, les pesticides contiennent généralement de nombreux additifs, qui sont souvent responsables d’effets toxiques involontaires. Grâce aux capteurs de cellules d’insectes, l’effet de l’ensemble du mélange est testé en une seule expérience. Cela permet d’identifier rapidement les effets biologiques des nouvelles formulations.
Les cellules sont cultivées en laboratoire. Ils sont congelés directement dans les puits des barrettes multi-électrodes et stockés à basse température. Désormais, les cellules peuvent ensuite être décongelées selon les besoins et sont prêtes à être testées en quelques minutes, même directement sur le terrain, indépendamment d’un laboratoire de culture cellulaire. Cela permet une préparation rapide et rentable de grands lots de cellules de capteur bien avant que les tests ne soient effectués.
Jusqu’à présent, cinq pesticides différents ont été testés pour leur toxicité cellulaire aiguë à l’aide de cette technologie de capteurs. « Les résultats montrent que certains pesticides vendus pour un usage domestique sont toxiques à des concentrations bien inférieures à la concentration d’application recommandée », explique Stefanie Michaelis, responsable du projet.
Afin d’automatiser l’application des réseaux d’électrodes chargés de capteurs, l’équipe de recherche du Fraunhofer EMFT a développé un dispositif de démonstration qui dégivre les cellules et ajoute les échantillons. « L’appareil permet un dosage précis et élimine toute contamination croisée », explique Christian Hochreiter, qui a planifié et conçu le prototype.
La mesure dans laquelle les résultats obtenus avec les cellules d’insectes reflètent l’influence sur les insectes vivants fera l’objet de recherches ultérieures.
En plus de détecter un effet insecticide aigu, le même principe de capteur sera utilisé pour étudier diverses fonctions cellulaires (phénotypes) et permettra à l’avenir d’étudier simultanément les cellules de différentes espèces d’insectes. « Notre objectif est de créer un profil d’impact complet des substances qui va au-delà de leur pure toxicité aiguë sur une seule espèce », explique Wegener.
Les résultats sont publié dans la revue Recherche appliquée.
Plus d’informations :
Sandra Friedrich et al, Développement d’un biocapteur sans étiquette basé sur l’impédance pour identifier les effets nocifs des pesticides sur les cellules d’insectes, Recherche appliquée (2024). DOI : 10.1002/appl.202400032
Fourni par l’Université de Regensburg