Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont créé un environnement miniaturisé pour étudier l’écosystème autour des racines des peupliers afin de mieux comprendre la santé des plantes et la séquestration du carbone dans le sol.
La plate-forme de rhizosphère sur puce s’appuie sur l’histoire du laboratoire en matière de construction de dispositifs de laboratoire sur puce, dans lesquels de minuscules canaux et chambres sont gravés sur une lame de microscope afin que les fluides puissent être introduits et étudiés pour la recherche sur les séparations biochimiques et essai.
Dans ce cas, les scientifiques imitent le sol sur la puce, font pousser des peupliers dans le fluide et étudient l’environnement autour de leurs racines, connu sous le nom de rhizosphère. Les scientifiques observent comment les microbes interagissent avec les produits chimiques dans le sol artificiel pour influencer la santé des plantes et mieux comprendre les processus régissant le stockage du carbone.
La rhizosphère est l’un des systèmes les plus complexes au monde, dans lequel les racines des plantes absorbent l’eau et les nutriments, créent un environnement physique et biogéochimique unique pour les microbes et émettent du carbone atmosphérique dans le sol. Il peut y avoir des centaines de bactéries différentes qui poussent près des racines des plantes ou qui sont influencées par la rhizosphère. Les chercheurs de l’ORNL s’intéressent particulièrement à la façon dont les microbes tels que les bactéries et les champignons interagissent avec les racines des plantes pour aider les plantes à pousser plus rapidement et à survivre aux menaces telles que la sécheresse, les incendies de forêt, les maladies et les ravageurs.
« Il est très difficile de voir à l’intérieur du sol pour observer ces processus car les particules sont très sombres », a déclaré Jack Cahill de la division des biosciences de l’ORNL.
La rhizosphère sur puce permet aux chercheurs de créer des systèmes modèles, puis d’utiliser des techniques telles que la spectrométrie de masse pour identifier les produits chimiques et leur distribution autour des racines des plantes. Ces connaissances informent une analyse des interactions chimiques dans l’écosystème, telles que les signaux chimiques émis par les plantes afin d’attirer ou de repousser les microbes. L’utilisation du système de puces permet également de conserver les échantillons en ne retirant qu’une infime quantité de liquide de la plate-forme et en permettant aux plantes de continuer à pousser.
Mettre la table pour la science
« Grâce à la spectrométrie de masse, nous sommes en mesure d’écouter la conversation entre ces systèmes vivants de plantes, de champignons et de microbes pour comprendre comment et pourquoi ils font les choses folles qu’ils font », a déclaré Scott Retterer, qui dirige la section de synthèse des nanomatériaux à L’ORNL et ont co-développé la plate-forme en utilisant les installations de nanofabrication du Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL.
« Je le décris comme un bocal à poissons sophistiqué », a déclaré Retterer. « Sauf que notre aquarium a la taille d’une lame de microscope et que les outils que nous utilisons pour façonner cet environnement sont les mêmes types d’outils qu’Intel utilise pour fabriquer des micropuces. Ensuite, nous organisons un dîner dans l’aquarium pour les bactéries, les plantes et les champignons. Nous mettre la table avec de la nourriture et regarder comment cela influence la fête. »
Les scientifiques de l’ORNL utilisant la plateforme ont découvert, par exemple, des concentrations élevées d’acides aminés très proches des racines des plantes, un phénomène jusque-là inconnu. Alors que l’on pensait autrefois que ces composés se déplaçaient et se diluaient à travers la structure du sol, ce n’est pas le cas, a déclaré Cahill.
« La dynamique des fluides dans ces systèmes de puces est confinée, elle nous permet donc de voir des concentrations de molécules que vous n’anticiperiez pas nécessairement sans pouvoir les mesurer directement à l’aide de la plate-forme de puces », a-t-il ajouté.
Obtenir des informations pour de meilleures plantes
Pour la recherche bioénergétique de l’ORNL, l’impact est « une meilleure compréhension de la façon dont les plantes, les microbes et leurs états chimiques sont liés les uns aux autres. Si nous pouvons prédire et contrôler cela, nous pouvons utiliser ces connaissances pour développer des plantes qui résistent à l’environnement, qui poussent plus vite , sont moins chers à produire et (sont) donc plus adaptés à la production économique de biocarburants durables », a déclaré Cahill.
Les techniques d’imagerie spatiale développées par les chercheurs de l’ORNL pourraient également être utilisées pour la recherche pharmacologique afin de déterminer si les composés médicamenteux atteignent et sont effectivement absorbés par le corps humain dans le cadre de leurs expériences de « tumeur sur puce », qui pourraient remplacer des tests similaires. Chez la souris.
« Les grands outils scientifiques que nous avons ici au laboratoire national et les interactions fortuites avec des scientifiques de tous horizons sont vraiment ce qui nous pousse à développer ces nouvelles plateformes de recherche », a déclaré Retterer. « C’est comme un grand repas-partage scientifique où vous apportez votre plat préféré et le partagez. Ils sont tous mélangés dans l’assiette et puis tout à coup, nous avons cette superbe rhizosphère sur puce. »
Retterer a également souligné le rôle des équipes de recherche, qui « donnent vie à ces grandes idées. Ce sont nos techniciens, post-doctorants et étudiants qui rendent possible la recherche interdisciplinaire ».
La recherche est publiée dans Laboratoire sur puce. Les collègues travaillant sur le projet à l’ORNL incluent Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy et Amber Webb. Jayde Aufrecht a co-développé la plateforme en tant qu’étudiante diplômée à l’ORNL et travaille maintenant au Pacific Northwest National Laboratory, où elle continue de collaborer à la recherche.
Jayde Aufrecht et al, Des points chauds d’acides aminés exsudés par les racines sont créés dans une rhizosphère sur puce, Laboratoire sur puce (2022). DOI : 10.1039/D1LC00705J