Nanomatériaux agrosourcés par impression moléculaire pour l’administration d’agents de biocontrôle et étude de leurs effets sur des plantes modèles

Le projet de recherche doctoral PlantMIP vise à concevoir de nouveaux nano-outils de protection des cultures, d'origine agrosourcée ou non, par la technologie de l’impression moléculaire (nanoMIP). Les effets de ces nouveaux nanomatériaux sur le développement et la croissance des plantes seront évalués afin de mieux comprendre le mécanisme d’assimilation et d’accumulation des nanoMIP in planta, par voie foliaire et/ou racinaire. Il s'agira aussi d’identifier les paramètres structuraux déterminants des nanoMIP et de caractériser leur efficacité pour la délivrance d’agents phytosanitaires. Les polymères à empreinte moléculaire (MIP) sont des matériaux synthétiques biomimétiques des anticorps naturels possédant des sites de fixation spécifiques et sélectifs. Utilisés comme système d’administration, ils offrent plusieurs avantages : une capacité de charge élevée, un ciblage cellulaire ou tissulaire, une stabilisation du principe actif ainsi qu'une libération plus ciblée, plus lente et prolongée. Cependant, leurs applications médicales ou agro-chimiques restent limitées par la toxicité potentielle des MIP et par les risques de pollutions environnementales liés aux nanoplastiques. L’utilisation de monomères d'origine agrosourcée pour la synthèse des MIP ouvre la voie au développement de systèmes d’encapsulation à libération contrôlée de produits phytosanitaires plus durables et éco-compatibles. Ainsi, le projet PlantMIP se focalise sur (1) la synthèse de nanomatériaux et nanoMIP agrosourcés, (2) l’effet de nanomatériaux à base de polymère pétrosourcés et/ou agrosourcés sur le développement des plantes (3) l’évaluation de la phytotoxicité et des performances de libération des principes actifs par les nanoMIP.

Le projet PlantMIP s'appuie sur les compétences complémentaires des partenaires UTC-GEC, UPJV-BioPI, dans les domaines de la conception de matériaux biosourcés et biomimétiques, de la physiologie des plantes, et en particulier de la caractérisation et la compréhension des enzymes de dégradation des pectines de la paroi des végétaux. Ce projet associe une approche de recherche fondamentale en physiologie-biochimie végétales, visant à décrypter les mécanismes d’interaction plantes-nanoparticules, à une démarche plus appliquée en biologie synthétique, chimie des polymères et valorisation des agroressources. Cet axe de recherche appliquée aura pour objectif le développement de nouveau nanomatériaux de type « anticorps artificiel » à base de monomères agrosourcés pour la formulation de produits phytosanitaires plus performants et à faible impact environnemental. Ainsi ce projet s'inscrit dans l’axe scientifique 1 « Ingénierie pour le vivant » de l’initiative InLife. Cette demande de financement a pour objectif de consolider une collaboration récente initiée entre les chercheurs de l’Unité de Génie Enzymatique et Cellulaire de l’UTC (GEC) et du laboratoire BioPI (UMRt INRAe 1158 BioEcoAgro) de l’UPJV, amorcée lors du co-encadrement d’un stage de Master 2^ème année (Projet PlasticWall, Action S2R-UPJV). Le projet doctoral sera mené sur les deux sites universitaires afin de mobiliser l'ensemble des expertises, infrastructures et plateformes disponibles en impliquant les deux écoles doctorales : l’ED 71 (Science pour l’Ingénieur) de l’UTC et l’ED 585 (Sciences, Technologie et Santé) de l’UPJV.

Contexte scientifique

Les pesticides constituent aujourd'hui un enjeu majeur de santé publique, ce qui a conduit les autorités à légiférer pour limiter leur usage. Dans ce contexte, de nouvelles stratégies favorisant des pratiques agricoles plus durables et respectueuses de l’environnement, telles que le biocontrôle et la biostimulation sont en plein essor. Toutefois, ces substances actives présentent encore des limites, notamment une efficacité variable, ainsi qu'une stabilité et une persistance réduites dans l'environnement. Dans ce projet, des biostimulants appartenant à la famille des métabolistes secondaires, en particulier l’acide salicylique[1], l’acide gibbérellique et des phénols naturels (resvératrol…), ont été retenus comme cibles en raison de leur efficacité et de leur mécanisme d’action bien définis contre les stress abiotiques et biotiques. 

Afin de surmonter les difficultés liées à leur mise en œuvre, l’encapsulation d’agents de biostimulation ou de biocontrôle dans des nano-émulsions ou des micro-/nanocapsules, a été développée afin d'améliorer leur durée d’action, de faciliter leur transport ou de moduler leur efficacité[2]. Néanmoins, ils présentent encore plusieurs limites telles qu'une faible charge, une libération rapide et peu contrôlée du principe actif, ainsi qu’une durée de vie réduite en champs. Par ailleurs, la plupart des études se concentrent sur l'application directe des agents sur les plantes, tandis que l'impact des biostimulants encapsulés sur la physiologie et le métabolisme des plantes reste peu exploité. Un des objectifs de ce projet est donc de concevoir un nouvel nano-outil pour la défense des plantes, basé sur la technologie de l’impression moléculaire. Utilisés comme agents thérapeutiques, pour le ciblage cellulaire ou comme système d’administration, les MIP sont des matériaux généralement synthétisés par polymérisation radicalaire de monomères acryliques et vinyliques d'origine pétrosourcée, sélectionnés pour leurs interactions spécifiques avec la cible[3]. Récemment, le partenaire UTC-GEC a développé une expertise dans la synthèse durable de MIP par des procédés de chimie verte et par l’utilisation de monomères agrosourcés dérivés d’huile végétale, de polyphénols ou de polysaccharides, notamment le chitosane méthacrylate[4].Au cours du projet, ces monomères seront employés pour produire de nouveaux nanoMIP d'origine agrosourcée destinés à l'encapsulation d'agents de biocontrôle en vue d’applications en agrochimie.

Avec l’émergence des nanomatériaux à base de polymères destinés à l’agrochimie[5], la question de leurs effets sur les plantes devient centrale. Si l’impact des micro- et nano-plastiques sur les écosystèmes aquatiques est bien connu dans la littérature, leur devenir dans les sols et leurs effets sur les écosystèmes terrestres, en particulier sur les cultures, rentent encore peu étudiés. La phytotoxicité des nanoparticules métalliques et leur accumulation dans les plantes ont été largement décrites mais les travaux portant sur l’accumulation de nanoparticules de polymères comme le polystyrène dans Arabidopsis thaliana[6], demeurent rares. Les études sur les interactions entre nanomatériaux et plantes sont contrastés : certaines mettent en évidence des effets positifs sur le développement ou la germination de la plante tandis que d'autres montrent que certains nanoplastiques induisent une diminution de la croissance[7]. Il devient donc essentiel de comprendre les interactions plantes-nanoplastiques et d’évaluer leur phytotoxicité sur les cultures afin de concevoir des stratégies de formulation de produits phytosanitaires plus éco-compatibles. La paroi des cellules végétales constitue la première barrière physique entre la cellule et ces nanoparticules ; elle joue un rôle clé dans la réponse des plantes aux stress. Une étude préliminaire menée par les partenaires du futur projet PlantMIP (UTC / UPJV) sur des nanoplastiques pétrosourcés, a mis en évidence, selon leurs compositions, des effets inhibiteurs ou stimulants sur la croissance racinaire des plantes ainsi que sur les activités d'enzymes de modifications des pectines, constituants majeurs de la paroi I^aire des végétaux. A notre connaissance, aucun travail n'a encore évalué leurs effets sur les plantes après application foliaire. Les résultats obtenus grâce au projet PlantMIP, permettront d'envisager la mise au point d'un procédé d'application foliaire ou racinaire de nanoMIP, qu'ils soient agrosourcés ou non, et d'en évaluer leur phytotoxicité sur les cultures afin de concevoir des formulations de nouveaux produits phytosanitaires plus respectueux de l'environnement.

L'objectif global de ce projet doctoral se décline en plusieurs volets : (1) confirmer les résultats précédemment obtenus sur la physiologie et le développement d’une plante modèle, Arabidopsis thaliana, tout en étendant l’étude aux nanoparticules agrosourcés et à leur application par voie foliaire, (2) identifier et comprendre les mécanismes d’absorption de ces nano-outils chez les plantes par l'analyse de la composition des parois végétales, l'activité des enzymes de remodelage des pectines et l'induction d'espèces réactives de l'oxygène, (3) développer et caractériser des nanoMIP d'origine agrosourcées pour la protection et la fertilisation des cultures.

Approche scientifique

Dans ce projet, Arabidopsis thaliana a été sélectionnée comme modèle d’étude, pour sa croissance rapide et sa caractérisation bien définie. Selon les avancées du projet, une plante agraire comme le colza pourra être envisagée. Le déroulement du projet s’organisera autour de 3 tâches (schéma 1) : 

Schéma 1 : Objectifs du projet comportant la répartition des tâches et l’implication de chaque partenaire.

- Tâche n°1 (partenaire 1, GEC/UTC): Production de nanoMIP. Cette tâche vise à produire des nanoparticules de structure (taille, charge) et de composition (pétrosourcés, agrosourcés (huile végétale, lignine, polysaccharides)) variées, marquées ou non avec des fluorophores par nanoprécipitation et à les caractériser par des techniques physico-chimiques et microscopiques (DLS, potentiel zeta, MEB, FTIR…).Des nanoMIP pour l’encapsulation des cibles (acide salicylique, acide gibbérellique, resvératrol…) seront ensuite développés à partir des formulations montrant une faible phytotoxicité par impression moléculaire. 

- Tâche n°2 (partenaire 2 et 1, BioPI/UPJV): Analyse phénotypique et biochimique de la paroi suite à l'application de nanoMIP sur A. thaliana par voie racinaire et par application foliaire. L’effet de l’absorption des nanoMIP par le système racinaire sera évalué sur le développement d’A. thaliana (germination, développement racinaire, croissance et production de biomasse) cultivée en terreau et en milieu de culture gélosé contenant les nanoMIP. Ce phénotypage sera réalisé en collaboration avec le CRRBM (Centre Régional de Ressources en Biologie Moléculaire) de l’UPJV grâce à l'utilisation de la Phénobox, une plateforme de phénotypage automatisée. Plusieurs paramètres biochimiques de la plante (production de ROS, activité des enzymes de dégradation de la paroi, analyse chimique en oses de la paroi…) seront également mesurés. La morphologie de différents tissues/organes (racines, tiges, feuilles) sera analysée afin de détecter les altérations physiologiques de la plante. La localisation et l’accumulation des nanoMIP dans différents tissus/organes pourront être aussi évaluées par fluorescence via des nanoMIP marqués avec une sonde fluorescente. Un procédé d’application des nanoMIP sur les feuilles mimant une application d’un produit phytosanitaire sera mis au point pour la première fois. L’adhérence sera étudiée par une modification de l’hydrophobicité des feuilles (angle de contact), l’adsorption et la localisation des nanoMIP sur les surfaces foliaires sera étudiée par des techniques de microscopie.

- Tâche n°3 (partenaire 1 et 2, GEC/UTC et BioPI/UPJV) : Caractérisation des biostimulants encapsulés dans les nanoMIP et étude de leur efficacité sur les plantes. Les propriétés (sélectivité, spécificité) des nanoMIP seront analysées, et la libération contrôlée des biostimulants sera étudiée dans des milieux simulant les conditions biologiques. L'impact du biostimulant encapsulé dans le nanoMIP sera ensuite évalué sur le développement d’A. thaliana, selon une approche similaire à celle mise en oeuvre dans la tâche 2.

Par l’UTC, le laboratoire est membre de l’Alliance Sorbonne Université et par l’UPJV, membre de l’Alliance A2U. 

Face aux défis majeurs et complexes de la Biologie, notre laboratoire développe des projets en collaboration avec des partenaires académiques et industriels en France et à l’étranger visant à proposer des solutions moléculaires innovantes aux problèmes scientifiques et sociétaux, en intégrant un panel d’approches originales.

Les activités de recherche menées intègrent continuellement de nouveaux concepts dans le domaine de la biotechnologie et s’adaptent aux changements de paradigmes. La recherche menée dans l’unité s’appuie sur la bioinspiration, le biomimétisme et l’utilisation des bioressources.

Sur la base de ces approches, les principaux objectifs du GEC sont de mettre en place des approches technologiques, fondées sur la reconnaissance moléculaire, afin d’agir sur les systèmes vivants et de les utiliser pour répondre à des questions scientifiques et à des demandes sociétales.

Nos activités s’inscrivent dans deux thèmes : Métabolisme végétal et Bioressources d’une part et Biomimétisme et Diversité Moléculaire d’autre part.

Le/la candidat(e) devra avoir de bonnes connaissances en biotechnologies mais également en sciences du végétal. Des compétences en biochimie, biologie moléculaire serait un plus. Par ailleurs, le/la candidat(e) sera amené(e) à faire une partie de sa thèse à l'UTC de Compiègne et une autre partie à l'Université d'Amiens, ces deux villes étant distantes d'environ 80 kms.