Si bien el mundo humano se está recuperando de una pandemia, hay varias epidemias en curso que afectan los cultivos y ponen en riesgo la producción mundial de alimentos. Las naranjas, las aceitunas y los plátanos ya están en peligro en muchas áreas debido a enfermedades que afectan los sistemas circulatorios de las plantasy eso no puede tratarse aplicando pesticidas.
Un nuevo método desarrollado por ingenieros del MIT puede ofrecer un punto de partida para administrar tratamientos que salvan vidas a plantas devastadas por tales enfermedades.
Estas enfermedades son difíciles de detectar temprano y tratar, dada la falta de herramientas de precisión para acceder a la vasculatura de la planta para tratar patógenos y tomar muestras de biomarcadores. El equipo del MIT decidió tomar algunos de los principios involucrados en la medicina de precisión para humanos y adaptarlospara desarrollar biomateriales específicos de plantas y dispositivos de administración de fármacos.
El método utiliza una serie de microagujas hechas de un biomaterial a base de seda para suministrar nutrientes, medicamentos u otras moléculas a partes específicas de la planta. Los hallazgos se describen en la revista Advanced Science, en un artículo de los profesores del MIT Benedetto Marelliy Jing-Ke-Weng, estudiante de posgrado Yunteng Cao, postdoctorado Eugene Lim en el MIT y postdoctorado Menglong Xu en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica.
Las microagujas, que los investigadores llaman fitoinyectores, se pueden hacer en una variedad de tamaños y formas, y pueden entregar material específicamente a las raíces, tallos u hojas de una planta, o en su xilema el tejido vascular involucrado en el transporte del agua desderaíces al dosel o floema el tejido vascular que circula los metabolitos a través de la planta. En pruebas de laboratorio, el equipo usó plantas de tomate y tabaco, pero el sistema podría adaptarse a casi cualquier cultivo, dicen. Las microagujas no solo pueden entregarcargas útiles específicas de moléculas en la planta, pero también se pueden usar para tomar muestras de las plantas para análisis de laboratorio.
El trabajo comenzó en respuesta a una solicitud del Departamento de Agricultura de EE. UU. Para obtener ideas sobre cómo abordar la crisis del enverdecimiento de los cítricos, que amenaza el colapso de una industria de $ 9 mil millones, dice Marelli. La enfermedad se transmite por un insecto llamadoPsílido asiático de los cítricos que transporta una bacteria a la planta. Todavía no hay cura para ella, y millones de acres de huertos estadounidenses ya han sido devastados. En respuesta, el laboratorio de Marelli se puso en marcha para desarrollar la nueva tecnología de microagujas, dirigida por Caocomo su proyecto de tesis.
explica Marelli. La enfermedad infecta el floema de toda la planta, incluidas las raíces, que son muy difíciles de alcanzar con cualquier tratamiento convencional. La mayoría de los pesticidas simplemente se rocían o pintan en las hojas o tallos de una planta, y poco o nada penetra en la planta.sistema radicular. Puede parecer que estos tratamientos funcionan por un corto tiempo, pero luego las bacterias se recuperan y causan daño. Lo que se necesita es algo que pueda enfocarse en el floema que circula a través de los tejidos de una planta, lo que podría llevar un compuesto antibacteriano hacia el interior.raíces. Eso es justo lo que podría lograr alguna versión de las nuevas microagujas, dice.
"Queríamos resolver el problema técnico de cómo puedes tener un acceso preciso a la vasculatura de la planta", agrega Cao. Esto permitiría a los investigadores inyectar pesticidas, por ejemplo, que serían transportados entre el sistema de raíces y las hojas.Los enfoques actuales usan "agujas que son muy grandes y muy invasivas, y eso daña la planta", dice. Para encontrar un sustituto, se basaron en trabajos previos que habían producido microagujas usando material a base de seda para inyectar vacunas humanas.
"Descubrimos que las adaptaciones de un material diseñado para el suministro de fármacos en humanos a las plantas no fue sencillo, debido a diferencias no solo en la vasculatura del tejido, sino también en la composición del fluido", dice Lim. Las microagujas diseñadas para uso humano estaban destinadas ase biodegrada naturalmente en la humedad del cuerpo, pero las plantas tienen mucho menos agua disponible, por lo que el material no se disolvió y no fue útil para administrar el pesticida u otras macromoléculas al floema. Los investigadores tuvieron que diseñar un nuevo material, pero decidieronse adhieren a la seda como base. Esto se debe a la fuerza de la seda, su inercia en las plantas evitando efectos secundarios indeseables y el hecho de que se degrada en pequeñas partículas que no corren el riesgo de obstruir los sistemas de vasculatura interna de la planta.
Utilizaron herramientas de biotecnología para aumentar la hidrofilia de la seda haciendo que atraiga el agua, al tiempo que mantienen el material lo suficientemente fuerte como para penetrar en la epidermis de la planta y lo suficientemente degradable para luego salir del camino.
Efectivamente, probaron el material en sus plantas de tomate y tabaco de laboratorio, y pudieron observar materiales inyectados, en este caso moléculas fluorescentes, moviéndose a través de la planta, desde las raíces hasta las hojas.
"Creemos que esta es una nueva herramienta que pueden usar los biólogos y bioingenieros de plantas para comprender mejor los fenómenos de transporte en las plantas", dice Cao. Además, se puede usar "para entregar cargas útiles en las plantas, y esto puede resolver variosproblemas. Por ejemplo, puede pensar en administrar micronutrientes, o puede pensar en administrar genes, para cambiar la expresión génica de la planta o básicamente diseñar una planta ".
"Ahora, los intereses del laboratorio para los fitoinyectores se han expandido más allá de la administración de antibióticos a la ingeniería genética y el diagnóstico en el punto de atención", agrega Lim.
Por ejemplo, en sus experimentos con plantas de tabaco, pudieron inyectar un organismo llamado Agrobacterium para alterar el ADN de la planta, una herramienta de bioingeniería típica, pero administrada de una manera nueva y precisa.
Hasta ahora, esta es una técnica de laboratorio que utiliza equipos de precisión, por lo que en su forma actual no sería útil para aplicaciones a escala agrícola, pero la esperanza es que se pueda usar, por ejemplo, para bioingeniería de variedades resistentes a enfermedadesplantas de cultivo importantes. El equipo también ha realizado pruebas utilizando una pistola de dardos de juguete modificada montada en un pequeño avión no tripulado, que fue capaz de disparar microagujas en las plantas en el campo. En última instancia, dicho proceso podría automatizarse utilizando vehículos autónomos, dice Marelli, parauso a escala agrícola.
Mientras tanto, el equipo continúa trabajando para adaptar el sistema a las variadas necesidades y condiciones de los diferentes tipos de plantas y sus tejidos. "Realmente hay mucha variación entre ellos", dice Marelli, por lo que debe pensar en tenerdispositivos que son específicos de la planta. Para el futuro, nuestros intereses de investigación irán más allá de la administración de antibióticos a la ingeniería genética y el diagnóstico en el punto de atención basado en el muestreo de metabolitos ".
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, la National Science Foundation y la Keck Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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