Bien que la bionique soit une discipline scientifique encore récente (elle est née en 1960), elle a déjà bouleversé l’ensemble du champ scientifique et constitue à présent l’un des moteurs majeurs des différentes révolutions technologiques industrielles en cours, tant dans le domaine de l’informatique et de l’électronique que dans celui de la biologie et de la médecine, en passant par l’énergie et l’environnement.
On le sait, la bionique est une discipline qui se donne pour objet l’étude globale de la nature et de ses différentes composantes et systèmes biologiques - plantes, animaux, micro-organismes - dans le but de concevoir de nouveaux modèles susceptibles d’aider à la réalisation d’outils et de technologies plus efficaces dans tous les domaines de l’activité humaine.
En janvier dernier, une étape décisive a été franchie avec l’implantation sur deux patients du premier œil bionique, l’Argus II Retinal Prosthesis System, qui permet de restaurer partiellement la vue pour les personnes atteintes de certaines pathologies visuelles comme les dégénérescences rétiniennes et notamment la rétinite pigmentaire.
Concrètement, ce premier œil bionique, encore rudimentaire, appelé Argus prend la forme d’une paire de lunettes équipée d’un capteur de 3 millions de pixels. Les images captées sont transmises à l’aide d’un câble vers un petit boîtier attaché à la ceinture du patient puis sont retransmises sous la forme d’impulsions électriques à un réseau d'électrodes émettant de petites impulsions électriques qui vont court-circuiter les photos récepteurs lésés et stimuler les cellules encore fonctionnelles de la rétine.
Ces informations seront finalement acheminées par le nerf optique jusqu’au cerveau qui va progressivement apprendre à interpréter ces signaux en termes de formes lumineuses et de contrastes. Preuve de l’efficacité assez extraordinaire de cet œil bionique, une étude publiée dans le British Journal of Ophtalmology en février 2013, a montré, sur 28 patients suivis pendant 20 mois, que la majorité d’entre eux parvenait à nouveau à identifier les lettres et les mots grâce à cet implant rétinien…
Toujours en février 2013, une équipe de recherche européenne, impliquant notamment l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, a réalisé en Italie l’implantation de la première main bionique "sensible", c'est-à-dire capable de sentir la forme et la texture des objets en créant pour les porteurs une sensation proche du toucher. Cette prothèse baptisée Lifehand 2 a été transplantée sur un patient danois amputé de la main gauche et lui a permis, après huit jours d’apprentissage, de reconnaître la forme et la taille des objets dans neuf cas sur 10 ! (Voir Universita Campus bio-medico di Roma).
En août 2012, une équipe américaine dirigée par Charles Lieber (Université de Harvard), Robert Langer (MIT) et Daniel Kohane de l’hôpital pour enfants de Boston a réussi une autre prouesse en intégrant de minuscules fils de silicium de seulement 80 nanomètres de diamètre (80 millièmes de millimètre) à une grille en relief constituée de molécules organiques (Voir article Nature materials).
Les chercheurs ont ensuite greffé sur cette armature des cellules musculaires et cardiaques mais également des neurones de rat, créant pour la première fois un tissu hybride en trois dimensions, mi-biologique, mi-électronique.
Autre avantage, les nanocapteurs en silicium utilisés sont souples et parfaitement biocompatibles et peuvent être associés à des nanocâbles, ce qui permet par exemple de mesurer très précisément les battements des cellules cardiaques.
La même équipe a également réussi à créer, en utilisant cette fois des cellules humaines, un vaisseau sanguin de 1,5 cm de long avec des capteurs intégrés surveillant l'équilibre de l'acidité du sang, un paramètre essentiel à l'étude des processus inflammatoires ou des tumeurs cancéreuses. Un tel dispositif pourrait également révolutionner les thérapies des troubles du rythme cardiaque en permettant l’implantation de défibrillateurs totalement biocompatibles.
Les applications de ces nanocapteurs sont innombrables et une société américaine, Vista Therapeutics, commercialise déjà un nanodétecteur capable d’analyser et de quantifier, à partir d'une seule goutte de sang, plusieurs marqueurs biologiques, comme le PSA, un antigène très utile pour le suivi des cancers de la prostate.
Comme le souligne Charles Lieber qui dirige ces travaux, « nous allons à présent essayer de franchir une étape supplémentaire en connectant les tissus et en communiquant avec eux, comme le font les organismes vivants ». À terme, ces dispositifs devraient permettre non seulement de recueillir et d’analyser une multitude de paramètres biologiques et biochimiques mais également d’agir dans l’autre sens en télécommandant ces circuits intégrés biologiques, ce qui permettra notamment de libérer une multitude de molécules thérapeutiques dans l’organisme avec une précision et une efficacité inégalées.
Un autre laboratoire du MIT dirigé par le Professeur Michael Strano vient de s’illustrer en montrant qu’il était possible de transformer et d’améliorer le métabolisme des plantes grâce aux nanotechnologies. Dans la nature, les chloroplastes des plantes - organites qui effectuent la photosynthèse - ne sont sensibles qu'à la partie visible du spectre lumineux et de ce fait à peine10 % de l'énergie lumineuse est convertie par la plante.
Mais en travaillant sur l'arabette des dames (Arabidopsis thaliana), ces chercheurs ont réussi à intégrer des nanotubes de carbone au sein des chloroplastes afin de bénéficier de la large capacité d'absorption du spectre lumineux de ces nanoparticules qui sont capables d’exploiter les longueurs d'onde que les plantes ne savent pas transformer en énergie (Voir MIT News).
Ces travaux ont montré qu’il était ainsi possible d’améliorer de 30 % la capacité d'absorption du rayonnement solaire par les plantes et le rendement de la photosynthèse, grâce à l’intégration de ces nanotubes de carbone dans les chloroplastes.
Concrètement, les chercheurs ont mis au point une technique qui vise à enrober les nanoparticules de cérium dans de l'acide polyacrylique, une molécule qui possède la propriété d’accélérer le transfert des nanoparticules à travers la membrane lipidique entourant le chloroplaste. Cette technique a également permis aux chercheurs d’enrober des nanoparticules de carbone avec de l’ADN chargée négativement afin de les introduire à l'intérieur des chloroplastes. Finalement, en combinant l’utilisation de nanoparticules d'oxyde de cérium et de nanotubes de carbone, ces scientifiques ont pu durablement « doper » l’activité des chloroplastes.
Mieux encore, ces scientifiques ont également montré qu’il était possible, en recourant à différents types de nanotubes de carbone, de transformer certaines plantes en capteurs chimiques ultra-sensibles pour détecter des substances toxiques dans l’environnement, comme le monoxyde d’azote, un dangereux polluant émis par les véhicules à moteur. Ce nouveau champ de recherche a été baptisé "nanobionique des plantes" par ces chercheurs.
Les nanomatériaux utilisés pour cette détection ultrasensible reposent sur une modification de la fluorescence du nanotube qui se produit lorsque la molécule recherchée se lie à un polymère enrobant le nanotube. « Ces technologies utilisant des nanotubes de carbone pour améliorer certaines propriétés des plantes vont permettre de réaliser des nanocapteurs capables de détecter en temps réel des radicaux libres ou des molécules présentes à l'état de traces dans l'environnement », souligne le professeur Strano.
Cette nouvelle alliance des nanotechnologies et de la bionique pourrait également apporter des solutions novatrices face au défi considérable que représentent la capture et le stockage du CO2 émis par les activités humaines. On sait que depuis quelques mois, la concentration de CO2 dans l’atmosphère a dépassé la barre symbolique des 400 ppm (parties par million), un niveau sans précédent depuis trois millions d'années.
En outre, compte tenu de l’explosion des émissions anthropiques de CO2, qui dépassent à présent au niveau mondial les 40 gigatonnes par an, il devient impératif de réaliser des ruptures technologiques qui permettront, parallèlement à la réduction drastique de nos émissions d’ici 2050, de capter et de stocker une partie du CO2 excédentaire présent dans l’atmosphère et contribuant à l’accélération du réchauffement climatique.
Face à ce problème, l’équipe du professeur Klaus Lacker, à l'Université de Columbia, travaille sur un projet de "feuilles artificielles" qui permettraient de capter du CO2 avec une efficacité beaucoup plus grande que celle dont dispose la végétation naturelle par le mécanisme de la photosynthèse.
Ces chercheurs ont mis au point un filtre de plastique constitué de particules fines de résine imprégnée de carbonate de sodium. Ce dispositif permet de capter le CO2 et de transformer le carbonate de sodium en bicarbonate. Il suffit ensuite de récupérer le CO2 de ce filtre, en utilisant simplement de l’eau et cet oxyde de carbone ainsi extrait peut alors être réutilisé par l’industrie chimique ou stocké dans de vastes cavités souterraines présentant toutes les garanties géologiques nécessaires (Voir Scientific American).
Autre avantage de ces "feuilles artificielles", leur coût relativement modeste (la résine utilisée ne coûte que 3,50 € le kilo). Selon les chercheurs, ce processus permettrait de collecter une tonne de carbone par jour, soit l'équivalent des émissions de 36 véhicules. Ces scientifiques ont calculé qu’il faudrait environ 10 millions de ces "arbres artificiels" pour capturer un peu plus de 10 % du CO2 émis chaque année dans le monde, soit environ quatre gigatonnes. En outre, cette nouvelle technologie pourrait être utilisée pour piéger le CO2 issu des sources mobiles, alors que les technologies actuelles de capture et de séquestration de carbone ne s’attaquent pour l'instant qu'aux sources industrielles fixes.
Reste toutefois à intégrer le coût de la dépense énergétique (environ 1,1 mégajoule d'électricité pour pomper et compresser 1 kilogramme de CO2) nécessaire à l’extraction de ce CO2 par cette méthode. Selon une estimation publiée par la Société américaine de physique, le coût de capture de la tonne de CO2 par ces feuilles artificielles serait de l’ordre de 500 € mais il devrait baisser de manière significative en cas de développement à l’échelle industrielle de cette technologie.
Mais l’avènement de la « Nanobionique » pourrait également être à l’origine d’une autre révolution considérable : la production contrôlée et industrielle de molécules biologiques complexes à partir de plantes. De récentes recherches ont en effet montré que, contrairement aux cellules de mammifères, les végétaux permettent une production homogène d’anticorps variés.
Cette capacité étonnante a été confirmée récemment par des recherches menées à l’Université des ressources naturelles et des sciences de la vie de Vienne, en Autriche. Ces chercheurs ont réussi à faire produire de l’immunoglobuline M PAT-SM6 (SM6) – un anticorps humain naturel qui attaque les cellules tumorales – par des feuilles de Nicotiana benthamiana, une variété de tabac (Voir PNAS). Les anticorps ainsi produits par voie végétale se sont avérés parfaitement fonctionnels.
La même équipe de recherches était déjà parvenue en 2006 à introduire un vecteur viral dans des plants de tabac pour synthétiser en grandes quantités des immunoglobulines G (IgG) humaines fonctionnelles. Cette technique de production d’une grande variété de molécules biologiques à partir de plantes et de végétaux modifiés est en outre bien plus simple et bien moins coûteuse à mettre en œuvre que les techniques classiques de cultures cellulaires.
On le voit, l’ensemble de ces recherches montre que le croisement fertile des nanotechnologies et de la bionique est en train de révolutionner de vastes secteurs de la production industrielle et de l'économie et pourrait bien profondément transformer notre environnement et notre mode de vie dans les décennies à venir.
Mais si ce nouveau et passionnant champ d’exploration scientifique et technologique est riche de promesses et d’applications innombrables, son développement pose également de redoutables questions sociales, éthiques et juridiques. En effet, à partir du moment où la science va être en capacité de modifier de manière fondamentale la structure et le fonctionnement de l’ensemble des organismes vivants à l’aide de ces outils nanobioniques, notre société va devoir faire des choix politiques et philosophiques pour déterminer jusqu’où il est souhaitable d’aller dans la réalisation de cette « Nature augmentée » dont l’impact global risque d’être au moins aussi important que celui de la réalité du même nom…
Il convient donc de bien mesurer les effets économiques, sociaux, culturels et humains que vont avoir ces outils technologiques car ceux-ci vont modifier fondamentalement le rapport de l’homme et de la nature, du naturel et de l’artificiel, du matériel et du vivant…
René TRÉGOUËT
Sénateur Honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
