Projet ANR-12-JS07-0006 – PorphyPlant : Vers un photo-herbicide : synthèse et études de porphyrines hydrosolubles marquées en solution et dans les cellules végétales
Programme : JCJC - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (JCJC SIMI 7)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Stéphanie LEROY-LHEZ (Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles)
Partenaires : Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles
Montant : 228966.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Développement d’une solution alternative aux herbicides via l’utilisation de la lumièreLe but de ce projet est de développer des pratiques agronomes douces tenant compte de l’environnement sans nuire à l’efficacité de l’agriculture. C’est pourquoi nous souhaitons concevoir des porphyrines exogènes en vue de leur utilisation comme photo-herbicide
Vers un photo-herbicide : synthèse et études de porphyrines hydrosolubles et marquées en solution – Effets sur les cellules végétales et les plantes.En lien avec les préoccupations environnementales actuelles, le but de ce projet est de développer des pratiques agronomes douces tenant compte de l’environnement sans nuire à l’efficacité de l’agriculture. Dans cette optique, notre projet vise à concevoir des systèmes moléculaires basés sur le motif porphyrine, molécule d’origine naturelle, en vue de leur utilisation exogène comme photo-herbicide. Pour cela, ces nouveaux photo-herbicides doivent être hydrosolubles. De plus, pour les étudier in situ (dans les plantes), l’emploi d’un marqueur fluorescent est envisagé. L’ensemble des produits utilisés et synthétisés seront caractérisés en solution et leurs effets biologiques seront évalués tout d’abord sur les cellules de tabac TBY-2 puis directement sur des plantules de tomate et d’Arabidopsis thaliana.Le développement de cette thématique, originale au sein du laboratoire et regroupant des spécialistes des différents champs d’expertise, doit permettre à moyen-terme une réelle percée scientifique dans ce domaine encore peu exploité des photo-traitements et, bien que très fondamentale, à long-terme, des applications concrètes.
Caractérisations spectroscopiques, théoriques et biologiques des systèmes testés et de leurs effets photo-toxiques sur les organismes végétaux.Deux familles de molécules ont été synthétisées et étudiées durant le projet. Pour chacune d’elles, la vérification de leurs structures et de leur pureté a été réalisée en spectrométrie de masse et spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Leurs propriétés photo-physiques découlant de leurs interactions avec la lumière ont été précisément établies, de même que leur capacité à produire des espèces réactives de l’oxygène, espèces toxiques pour les plantes, par des études spectroscopiques. Concernant la 1re famille (porphyrines marquées mais non encore hydrosolubles), ces études ont été complétées par une analyse théorique de leurs conformation et propriétés optiques. Pour la 2ème famille (porphyrines non marquées mais possédant des groupements chargés afin de les rendre hydrosolubles), leur comportement en fonction de l’acidité du milieu et leur stabilité dans le temps ont été étudiés afin de s’approcher au mieux des conditions en présence des cellules de tabac TBY-2. Leurs effets sur les organismes végétaux (cellules et plantules) ont été évalués par des études de viabilité et des dosages enzymatiques. Leur visualisation dans les cellules a également été réalisée par microscopie confocale.
Résumé de la soumission : La biodiversité, la préservation de l'environnement et la sécurité sanitaire représentent les principaux enjeux actuels de l'agronomie. La recherche de nouveaux herbicides, sélectifs, non toxiques pour la faune, biodégradables par les microorganismes du sol et non polluants pour les eaux souterraines, est donc primordiale. Les porphyrines et les chlorines, naturellement présentes dans tout le règne vivant, nous semblent être de bons candidats pour répondre à ces multiples attentes. En effet, ces molécules, photo-excitables par la lumière solaire, sont capables d'induire la mort cellulaire par la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) et présentent l'avantage d'avoir une toxicité très faible en l'absence de lumière. Afin d'atteindre les objectifs de ce projet ANR - Jeunes Chercheurs « Porphyplant - Vers un photo-herbicide : synthèse et études de porphyrines hydrosolubles marquées en solution et dans les cellules végétales » trois principaux aspects, nécessitant des compétences transversales, seront développés. Premièrement, la conformation de porphyrines hydrosolubles, anioniques et cationiques, marquées par la fluorescéine, sera étudiée par modélisation moléculaire. Suivant les recommandations issues de la partie théorique, la synthèse de ces molécules sera réalisée. Les propriétés photo-physiques, stationnaires et résolues dans le temps, de ces nouveaux composés seront dans un deuxième temps étudiées. Troisièmement, l'effet de ces porphyrines, avec et sans marqueurs fluorescents, après photo-activation, sera analysé dans les cellules de tabac. Les porphyrines marquées seront utilisées afin de suivre leur devenir dans les cellules végétales ainsi que leur production de ROS par imagerie in Situ. Ces différentes approches doivent permettre de mieux comprendre les processus mis en jeu à l’état excité pour ces systèmes moléculaires ainsi que leur sort dans les cellules de tabac et la nature du mécanisme mis en jeu dans l'induction de la mort cellulaire ; et ce afin de développer un nouveau type d’herbicide.
Résultats : Ces études ont permis d’établir une relation entre structure et activité. La relation charge (positive/négative) - efficacité en fonction du modèle biologique (plantule/cellule), si elle n’est pas encore entièrement élucidée,  représente un challenge scientifique important. Ce projet étant un projet de recherche fondamentale, de nombreux verrous restent à lever (formulation, devenir des systèmes dans le sol…), mais à terme, des applications en agronomie devraient émerger, une collaboration forte et complémentaire Chimie-Biologie végétale ayant été créée.
Perspectives : Les attentes définies au début du projet ont été presque toutes atteintes, à l'exception de la visualisation in situ et en temps réel de la production d'oxygène singulet. 
En ce qui concerne les porphyrines chargées, les études ont été au-delà des attentes et une première relation structure-activité a été établie. Toutefois, la solubilisation dans l'eau des principes actifs reste un verrou majeur et empêche l'étude des systèmes marqués dans les cellules végétales. Dans ce contexte, la solubilisation dans l'eau a été envisagée par encapsulation. 
En outre, encouragé par les premiers résultats sur des plantules de tomates, le projet sera poursuivi pour une nouvelle application en traitement photodynamique antimicrobien à des fins agronomiques.
Ce projet a été une aventure passionnante, qui a lié une compréhension fondamentale aux applications du monde réel. En effet, la compréhension globale des propriétés optiques des nouvelles dyades synthétisées dans diverses conditions environnementales est apparue essentielle pour permettre son utilisation dans des cellules végétales. Fort de cette connaissance, nous pouvons maintenant mieux concevoir et  développer de nouveaux systèmes porphyriniques efficaces comme photoherbicide.
Publications et brevets : Ce projet a donné lieu à trois publications, concernant les différentes parties du projet : études des effets des porphyrines chargées sur les cellules de tabac TBY-2 (C. Riou et al., Photochem. Photobiol. Sci., 2014, 621-625), sur les plantules (D. Guillaumot et al., J. Photochem. Photobiol. B Biology, 2016, 156, 69-78) et de porphyrines marquées (O. Rezazgui et al., New J. Chem., 2016, DOI: 10.1039/C5NJ02901E). Ces travaux ont également fait l’objet de 6 communications orales et 2 par affiches au cours de congrès nationaux, internationaux et séminaires invités.