Vérifier la santé d’un sol pourrait bientôt revenir à « interroger » les bactéries locales. En réponse à des déclencheurs comme des nutriments ou des contaminants, elles pourraient émettre des lueurs de couleurs différentes, que des drones ou des satellites seraient capables de repérer.
Des bactéries capteurs lisibles à distance par drones
Parce qu’on peut les modifier assez facilement pour qu’elles produisent certaines molécules lorsque des conditions précises sont réunies, les bactéries servent déjà largement de capteurs. Le problème, c’est que la lecture de leur réponse demande en général du temps et un microscope.
Des chercheurs du MIT ont toutefois mis au point un système de détection dans lequel des bactéries émettent de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques lorsqu’elles repèrent une cible. L’idée serait alors de prendre des photos avec un drone, puis d’attendre 30 secondes pour obtenir un signal exploitable.
Le dispositif paraît suffisamment souple pour viser pratiquement n’importe quelle molécule, substance chimique ou bactérie - bénéfique ou nuisible. En combinant deux types de bactéries, on pourrait, en pratique, faire apparaître les parcelles en rouge quand des polluants s’installent, et en vert quand les nutriments sont abondants.
« Donc, cela pourrait répondre aux métaux, aux radiations, aux toxines dans le sol, ou aux nutriments dans le sol, ou à tout ce à quoi vous voulez qu’il réponde », explique Christopher Voigt, ingénieur biologiste au MIT.
« Et le résultat, ce serait la production de cette molécule, qui peut ensuite être détectée de loin. »
Caméras hyperspectrales et molécules “rapporteurs”
Pour lire ces signaux sans se rapprocher, l’équipe a utilisé des caméras spéciales installées sur des drones ou sur des bâtiments afin de balayer des échantillons de sol « patrouillés » par des bactéries génétiquement modifiées. Les échantillons contenant la cible étaient nettement repérables : ils émettaient un signal jusqu’à 12 fois plus fort que les échantillons témoins, et ce à une distance allant jusqu’à 90 mètres (près de 300 pieds).
Cette lueur ne serait pas visible à l’œil nu, car le système s’appuie sur des caméras hyperspectrales. Ces appareils mesurent des centaines de longueurs d’onde dans le visible et l’infrarouge, puis déterminent la quantité de chaque longueur d’onde présente dans chaque pixel. Ils peuvent ainsi détecter de minuscules variations de couleur imperceptibles pour d’autres instruments - et, a fortiori, pour l’œil humain.
Les chercheurs ont conçu des bactéries capables de fabriquer des molécules « rapporteurs » détectables par ces caméras hyperspectrales. Pour sélectionner les meilleures options, ils ont d’abord réalisé des simulations de mécanique quantique portant sur 20,170 métabolites, afin d’identifier les candidats les plus adaptés.
« The best hyperspectral reporters (HSRs) are those whose spectra are the most unique and require the smallest number of enzymes to produce », écrivent les auteurs dans l’article décrivant ces travaux.
Ils ont finalement retenu deux candidats prometteurs : un pigment appelé biliverdine, capable de donner aux ecchymoses une nuance verdâtre, et une bactériochlorophylle, utilisée par certains microbes pour la photosynthèse. Les enzymes nécessaires à la production de biliverdine ont été introduites dans une bactérie du sol, Pseudomonas putida, tandis qu’un microbe aquatique, Rubrivivax gelatinosus, a été modifié pour produire de la bactériochlorophylle.
Capteurs “à la carte” et déclencheurs possibles
Ces productions ont ensuite été reliées à des circuits de détection intégrés aux génomes bactériens - ici, pour repérer la présence d’autres bactéries dans l’environnement immédiat. Mais, dans les faits, le déclencheur peut être presque n’importe quoi, y compris des substances associées à des sols contaminés.
« Ce qui est bien avec cette technologie, c’est que vous pouvez y brancher le capteur de votre choix », indique Yonatan Chemla, ingénieur en microbiome environnemental au MIT. « Il n’y a aucune raison pour qu’un capteur ne soit pas compatible avec cette technologie. »
Tests sur sol, portée de l’imagerie et questions de sécurité
Pour mettre l’approche à l’épreuve, l’équipe a disposé des échantillons de sol ou de sable dans des boîtes ouvertes à l’air, dont certaines contenaient des disques de la cible enterrés. Des caméras hyperspectrales, installées sur des drones ou des toits, pouvaient capturer en moins de 30 secondes des images couvrant des centaines ou des milliers de mètres carrés.
Comme attendu, les boîtes contenant les cibles se mettaient à « briller » fortement, avec un contraste marqué par rapport aux échantillons témoins.
Les chercheurs déclarent des financements provenant du Département de la Défense des États-Unis et du ministère de la Défense d’Israël.
« Nous avons été très occupés ces trois dernières années à travailler pour comprendre quels sont les cadres réglementaires et quelles sont les préoccupations de sécurité, quels sont les risques, quels sont les bénéfices de ce type de technologie ? », précise Chemla.
Même si les aspects réglementaires et la sécurité de ces systèmes restent à clarifier, l’équipe estime que la méthode est prometteuse pour une surveillance environnementale continue.
« Les sentinelles microbiennes ont des avantages en tant que capteurs sur le terrain. Elles peuvent être dispersées sur de vastes zones, répondre à des signaux uniques et persister sans nécessiter d’alimentation électrique », écrivent les auteurs.
« En outre, les HSR peuvent être imagés en journée dans des conditions ambiantes et identifiés dans des environnements spectralement complexes, notamment les sols nus, la végétation et les structures urbaines. »
Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Biotechnology.
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