Des chimistes développent une nouvelle technologie qui détecte la santé des cultures d’algues

Une nouvelle technologie développée à l’UC San Diego utilise la spectrométrie de masse à ionisation chimique pour alerter les producteurs d’algues lorsque les signatures de gaz volatils changent, leur permettant de récolter des cultures d’algues lorsqu’elles sont attaquées par des organismes contaminants.

Les chiens dressés sont bien connus pour utiliser leur sens aigu de l’odorat pour identifier les explosifs, la contrebande et même certains types de maladies. Être capable d’automatiser de telles compétences de détection pourrait être utile dans divers environnements, des aéroports aux bâtiments publics.

Aujourd’hui, les chimistes de l’Université de Californie à San Diego ont mis au point une technologie pour surveiller la santé des cultures d’algues, l’une des sources les plus prometteuses au monde de produits durables en cours de développement pour lutter contre les problèmes mondiaux liés aux polluants des combustibles fossiles et aux déchets de produits.

Comme décrit dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, un groupe diversifié de chercheurs – des étudiants de premier cycle au corps professoral supérieur – a collaboré à un projet du ministère de l’Énergie pour développer une technique de mesure en temps réel qui pourrait économiser des centaines de millions de dollars en pertes de biomasse d’algues. Des nouveaux carburants biologiques qui alimentent les véhicules aux plastiques renouvelables à base de polymères biodégradables qui éliminent les déchets dans les océans et les décharges surchargées, les algues sont considérées comme la clé d’un avenir de produits durables.

« Afin d’avoir suffisamment d’algues pour fournir tous ces matériaux renouvelables – biocarburants, bioplastiques et nutraceutiques – nous devons trouver des moyens d’augmenter la production et le rendement des algues », a déclaré Robert Pomeroy, le PNAS auteur principal de l’article, du Département de chimie et de biochimie de l’UC San Diego. Pomeroy a dirigé le développement de la technologie avec le coauteur du papier Ryan Simkovsky. « Garder les algues en bonne santé est une façon de le faire. Nous ne pouvons pas nous permettre de perdre des hectares de ces cultures.

L’étudiante diplômée de l’UC San Diego Alexia Moore (à gauche) et le récent titulaire d’un doctorat Jon Sauer sont co-auteurs d’un nouveau document de recherche PNAS décrivant une nouvelle technologie qui surveille la santé des cultures d’algues.

La méthode de culture des algues la plus compétitive sur le plan économique consiste à faire pousser les minuscules organismes aquatiques dans des étangs à grande échelle. Une telle production de biomasse ouverte, cependant, laisse leur croissance vulnérable à la contamination par une gamme d’envahisseurs microscopiques des étangs. Les organismes infectieux qui broutent les algues comprennent les virus, les bactéries et les champignons qui peuvent décimer les cultures d’algues en quelques heures.

L’équipe de l’UC San Diego a développé une nouvelle méthode d’évaluation des gaz volatils, qui sont des composés organiques souvent émis par des processus microbiens. À l’aide d’un instrument développé dans le laboratoire du professeur Kimberly Prather de l’UC San Diego, les chercheurs ont conçu un moyen automatisé d’effectuer des mesures en temps réel de gaz volatils à l’aide d’une technique connue sous le nom de spectrométrie de masse à ionisation chimique, ou CIMS, une méthode précédemment utilisée en médecine, défense et la lutte contre la drogue.

La technologie surveille en permanence la santé normale des algues en suivant leurs émissions de gaz volatils tout au long de leur cycle de croissance et de floraison. Lorsque des organismes envahisseurs ou des prédateurs attaquent et induisent un stress, cela entraîne une modification des signatures de gaz volatils. Grâce au CIMS, les scientifiques ont montré qu’ils pouvaient détecter instantanément la perturbation et alerter les cultivateurs d’algues pour qu’ils prennent des mesures pour sauver la récolte.

« Si vous saviez qu’il y avait une attaque sur la culture, d’insectes ou de bactéries, alors vous pourriez soit atténuer les dégâts, soit retirer le bouchon et récolter avant qu’il n’y ait des dommages », a déclaré Pomeroy, qui travaille avec le chimiste Mike Burkart et le biologiste Steve Mayfield. dans le Food and Fuel pour le 21^st Programme du siècle. « Les bactéries sont conçues pour attaquer et manger les algues et leur croissance est exponentielle. Vous pourriez être bien un jour avec de belles algues vertes et le lendemain c’est un gâchis boueux brun. Ce n’est donc pas comme perdre 10 pour cent de votre récolte de blé – du jour au lendemain, vous pourriez perdre toute la récolte d’algues. »

Le système CIMS, ont noté les chercheurs dans leurs expériences, a détecté des contaminations de pâturage par des organismes infectieux 37 à 76 heures plus tôt que les méthodes de surveillance traditionnelles utilisées depuis des années, notamment la microscopie et la fluorescence. D’autres recherches seront menées pour développer davantage le CIMS pour les applications sur le terrain des algues.

Les cultures d’algues à grande échelle sont cultivées dans des étangs ouverts qui les rendent vulnérables aux virus, bactéries et champignons envahissants qui peuvent rapidement dévaster les cultures.

Le professeur Prather est le directeur fondateur du National Science Foundation (NSF) Center for Aerosol Impacts on Chemistry of the Environment (CAICE), un centre NSF pour l’innovation chimique.

« Au CAICE, l’un de nos principaux objectifs est de développer des approches analytiques en ligne uniques pour détecter des mélanges complexes dans des systèmes biologiques et environnementaux », a déclaré Prather. « C’est un excellent exemple de la façon dont la spectrométrie de masse qui a été développée pour une application différente, la mesure des émissions océaniques en phase gazeuse, est désormais utilisée pour résoudre un problème d’importance sociétale. Il existe d’innombrables applications dans les domaines de l’environnement et de la santé pour savoir comment ces mesures de spectrométrie de masse en ligne peuvent être utilisées pour résoudre des problèmes difficiles. »

Selon les chercheurs, le CIMS pourrait être adapté pour surveiller la santé d’autres sources précieuses, notamment le fromage, la bière, les anticorps monoclonaux et certaines viandes cultivées en laboratoire, qui sont toutes sensibles aux attaques d’organismes infectieux.

Le plein PNAS la liste des coauteurs des articles de recherche comprend : Jon Sauer, Ryan Simkovsky, Alexia Moore, Luis Camarda, Summer Sherman, Kimberly Prather et Robert Pomeroy.

Le département américain de l’Énergie (subvention DE-EE0007094) a financé la recherche.