Si bien el mundo humano se tambalea por 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 amenazados en muchas áreas debido a enfermedades que afectan los sistemas circulatorios de las plantas y que no pueden tratarse con la aplicación de pesticidas.

Un nuevo método desarrollado por ingenieros del MIT puede ofrecer un punto de partida para administrar tratamientos que salvan vidas a las plantas devastadas por tales enfermedades.

Estas enfermedades son difíciles de detectar a tiempo y de tratar, dada la falta de herramientas de precisión para acceder a la vasculatura de las plantas 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 adaptarlos para desarrollar biomateriales y dispositivos de administración de fármacos específicos para plantas.

El método utiliza una matriz de microagujas hechas de un biomaterial a base de seda para administrar nutrientes, medicamentos u otras moléculas a partes específicas de la planta. Los hallazgos se describen en la revista. Ciencia avanzada, en un artículo de los profesores del MIT Benedetto Marelli y Jing-Ke-Weng, el estudiante graduado Yunteng Cao, el postdoctorado Eugene Lim en el MIT y el postdoctorado Menglong Xu en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica.

Las microagujas, que los investigadores llaman fitoinyectores, se pueden fabricar en una variedad de tamaños y formas, y pueden administrar material específicamente a las raíces, tallos u hojas de una planta, o a su xilema (el tejido vascular involucrado en el transporte de agua desde las raíces hasta las plantas). dosel) o floema (el tejido vascular que hace circular los metabolitos por toda la planta). En las 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 entregar cargas útiles específicas de moléculas en la planta, sino que 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. de ideas sobre cómo abordar la crisis del enverdecimiento de los cítricos, que amenaza con el colapso de una industria de $ 9 mil millones, dice Marelli. La enfermedad es transmitida por un insecto llamado psílido asiático de los cítricos que lleva una bacteria a la planta. Todavía no existe una 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 Cao como su proyecto de tesis.

La enfermedad infecta el floema de toda la planta, incluidas las raíces, que son muy difíciles de alcanzar con cualquier tratamiento convencional, explica Marelli. La mayoría de los pesticidas simplemente se rocían o se pintan sobre las hojas o los tallos de una planta, y poco o nada penetra en el sistema de raíces. Dichos tratamientos pueden parecer que funcionan por un corto tiempo, pero luego las bacterias se recuperan y hacen su daño. Lo que se necesita es algo que pueda atacar el floema que circula a través de los tejidos de una planta, lo que podría llevar un compuesto antibacteriano a las raíces. Eso es lo que podría lograr alguna versión de las nuevas microagujas, dice.

“Queríamos resolver el problema técnico de cómo se puede 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 anteriores que habían producido microagujas utilizando material a base de seda para inyectar vacunas humanas.

"Descubrimos que las adaptaciones de un material diseñado para la administración de fármacos en humanos a las plantas no eran sencillas, debido a las diferencias no solo en la vasculatura de los tejidos, sino también en la composición de los fluidos", dice Lim. Las microagujas diseñadas para uso humano estaban destinadas a biodegradarse naturalmente en la humedad del cuerpo, pero las plantas tienen mucha menos agua disponible, por lo que el material no se disolvió y no fue útil para administrar el pesticida u otras macromoléculas en el floema. Los investigadores tuvieron que diseñar un nuevo material, pero decidieron quedarse con la seda como base. Eso se debe a la fuerza de la seda, su inercia en las plantas (que evita efectos secundarios indeseables) y el hecho de que se degrada en partículas diminutas que no corren el riesgo de obstruir los sistemas vasculares internos de la planta.

Usaron herramientas biotecnológicas para aumentar la hidrofilicidad de la seda (haciendo que atraiga agua), mientras mantenían el material lo suficientemente fuerte para penetrar la epidermis de la planta y lo suficientemente degradable para luego quitarse de en medio.

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 lo largo de la planta, desde las raíces hasta las hojas.

“Creemos que esta es una nueva herramienta que pueden utilizar 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 a las plantas, y esto puede resolver varios problemas. Por ejemplo, puede pensar en entregar micronutrientes, o puede pensar en entregar genes, cambiar la expresión génica de la planta o básicamente modificar una planta”.

“Ahora, los intereses del laboratorio por 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 típica de bioingeniería, pero entregada de una manera nueva y precisa.

Hasta ahora, esta es una técnica de laboratorio que usa equipo de precisión, por lo que en su forma actual no sería útil para aplicaciones a escala agrícola, pero la esperanza es que pueda usarse, por ejemplo, para bioingeniería de variedades de cultivos importantes resistentes a enfermedades. plantas. El equipo también realizó pruebas utilizando una pistola de dardos de juguete modificada montada en un pequeño dron, que pudo disparar microagujas a las plantas en el campo. En última instancia, dicho proceso podría automatizarse utilizando vehículos autónomos, dice Marelli, para uso a escala agrícola.

Mientras tanto, el equipo continúa trabajando para adaptar el sistema a las diversas 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 tener dispositivos que sean específicos para la planta. En 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 Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Keck.