Chaque année, les agriculteurs américains perdent jusqu'à 12% de leurs cultures en raison de maladies et 12% en raison d'organismes nuisibles. Les usines malades génèrent des milliards de dollars de perte de profit dans l'industrie agricole.
Le problème, c'est qu'il est difficile de détecter les maladies des plantes avant qu'il ne soit trop tard. Au fil du temps, il y a des symptômes visibles - feuilles fanées, par exemple, ou décoloration - la maladie a suffisamment avancé pour être incurable.
Mais les plantes font savoir à leur environnement quand elles sont malades ou attaquées, mais pas d'une manière que nous ayons jamais pu comprendre en temps réel, jusqu'à maintenant. Une équipe d'ingénieurs dirigée par Gary McMurray, responsable de la technologie de transformation des aliments au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), a mis au point une méthode pour surveiller et décoder ces messages afin de permettre aux agriculteurs d'identifier et de traiter les maladies avant qu'elles ne s'enracinent. Sa vision: des bras robotisés qui capturent et identifient les signaux des maladies naturelles des plantes à la volée.
Toutes les plantes produisent des signaux naturels, sous forme de composés organiques volatils (COV), pour alerter les environs de ce qui les attaque. Le système McMurray capture ces composés à l'aide d'une version miniaturisée d'un chromatographe en phase gazeuse (appelée micro GC). Les dispositifs, qui ont été développés au début du XXe siècle, servent à séparer les produits chimiques au sein d’échantillons complexes - dans le cas de McMurray, les gaz émis par une plante. Lorsque le gaz est chauffé et passé dans une colonne, un capteur électronique détecte les composés contenus dans l'échantillon.
Il n'est pas nécessaire de pincer ou de prélever des échantillons et de les renvoyer au laboratoire pour analyse, processus qui peut prendre des jours, voire des semaines. Toutes les informations dont le micro-GC a besoin sont dans l'air, ce qui signifie que le traitement des maladies, ou leur sauvegarde, peut être beaucoup plus rapide.
Les applications de la chromatographie en phase gazeuse vont bien au-delà des cultures. Le Département de la sécurité intérieure, par exemple, les utilise pour détecter certains types de gaz et de produits chimiques dangereux. Et les chercheurs les utilisent également pour dépister certains types de maladies digestives chez l'homme.
Traditionnellement, les chromatographes étaient des appareils volumineux allant de 3 à 10 mètres de long; Les progrès réalisés dans les nanomatériaux et la fabrication ont permis à McMurray d’en créer une de la taille d’une batterie de 8 volts.
«Nous n’aurions jamais pu construire cela; il y a même cinq ans cela n'aurait pas été possible », dit-il.
Le micro-CPG de McMurray pourrait être monté sur un bras robotique d'un équipement agricole existant, tel qu'un tracteur ou une charrue. Le bras maintiendrait l'appareil au-dessus des feuilles de la plante et collecterait des échantillons d'air. Un petit ordinateur, pas plus puissant qu'un ordinateur portable ou un iPhone de base, peut ensuite traiter les données des échantillons pour identifier les agents pathogènes; un balayage rapide d'hélium prépare le capteur à évaluer son prochain échantillon.
Comme ils sont si petits, "nous pouvons construire plusieurs micro-GC sur un robot", explique McMurray. «Je peux en avoir 10, 20 voire 100 avec un seul tracteur.»
Cela signifie qu'un tracteur peut collecter simultanément des échantillons de tiges, de racines et de bourgeons.
Le système de micro-GC pourrait également être utilisé pour dépister toute maladie dans notre nourriture, des fruits aux légumes en passant par les céréales.
«Les produits frais expédiés partout dans le monde pourraient être porteurs de divers parasites ou maladies. Si vous avez une sorte de capteur pouvant être déployé sur le terrain ou mobile, vous pouvez détecter les COV provenant des usines », postule McMurray. "Cela pourrait résoudre de très gros problèmes."
L’équipe termine actuellement les tests de laboratoire pour le micro GC afin de s’assurer que ses résultats concordent avec ceux des chromatographes plus grands. En août ou en septembre, ils effectueront leur premier test sur le terrain, dans lequel un chercheur parcourra un micro-GC à travers des champs de pêches afin de rechercher la pourriture des racines du pêcher.
Bien que ce test initial porte sur une maladie spécifique, la chromatographie en phase gazeuse peut dépister des dizaines d'agents pathogènes à la fois, ce qui la distingue également des autres approches, explique McMurray.
Même avec la technologie, les phytopathologistes devront toujours cartographier les émissions de COV associées à certains plans et à certaines maladies.
Les usines dont les émissions de COV sont déjà bien documentées auront un coup de pouce lors du démarrage du criblage par micro-GC. d'autres auront besoin de plus de temps et de recherches pour diagnostiquer et traiter. "L'agent pathogène que nous avons choisi, personne ne sait rien", dit McMurray, "mais, par exemple, on en sait beaucoup sur certains champignons."
Mais le micro-GC de Georgia Tech représente un tournant important en termes de convivialité et d’évolutivité, déclare M. McMurray.
"Nous pensons que ce que nous avons est unique", déclare McMurray, "ces nouveaux procédés de fabrication ouvrent une nouvelle ère de capteurs."
