Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han creado un entorno miniaturizado para estudiar el ecosistema alrededor de las raíces de los álamos para obtener información sobre la salud de las plantas y el secuestro de carbono del suelo.
por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
La plataforma de rizósfera en un chip se basa en la historia del laboratorio de construcción de dispositivos de laboratorio en un chip , en los que se graban pequeños canales y cámaras en un portaobjetos de microscopio para que los fluidos puedan introducirse y estudiarse para la investigación de separaciones bioquímicas y pruebas.
En este caso, los científicos están imitando el suelo en el chip, haciendo brotar álamos en el fluido y estudiando el entorno alrededor de sus raíces, conocido como rizosfera. Los científicos observan cómo los microbios interactúan con los productos químicos dentro del suelo artificial para influir en la salud de las plantas y obtener una mejor comprensión de los procesos que rigen el almacenamiento de carbono.
La rizósfera es uno de los sistemas más complejos del mundo, en el que las raíces de las plantas absorben agua y nutrientes, crean un entorno físico y biogeoquímico único para los microbios y emiten carbono atmosférico al suelo. Puede haber cientos de bacterias diferentes que crecen cerca de las raíces de las plantas o que están influenciadas por la rizosfera. Los investigadores de ORNL están particularmente interesados en cómo los microbios como las bacterias y los hongos interactúan con las raíces de las plantas para ayudarlas a crecer más rápido y sobrevivir a amenazas como la sequía, los incendios forestales, las enfermedades y las plagas.
«Es muy difícil ver dentro del suelo para observar esos procesos, ya que las partículas son muy oscuras», dijo Jack Cahill, de la División de Biociencias de ORNL.
Rhizosphere-on-a-chip permite a los investigadores crear sistemas modelo y luego utilizar técnicas como la espectrometría de masas para identificar sustancias químicas y su distribución alrededor de las raíces de las plantas. Ese conocimiento informa un análisis de las interacciones químicas en el ecosistema, como las señales químicas de las plantas para atraer o repeler microbios. El uso del sistema de chips también conserva las muestras al eliminar solo una pequeña cantidad de líquido de la plataforma y permitir que las plantas continúen creciendo.
Poniendo la mesa para la ciencia
«Usando la espectrometría de masas, podemos escuchar a escondidas la conversación entre estos sistemas vivos de plantas, hongos y microbios para descubrir cómo y por qué hacen las locuras que hacen», dijo Scott Retterer, quien dirige la Sección de Síntesis de Nanomateriales en ORNL y co-desarrollaron la plataforma utilizando las instalaciones de nanofabricación dentro del Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL.
«Lo describo como una pecera elegante», dijo Retterer. «Excepto que nuestra pecera es del tamaño de un portaobjetos de microscopio, y las herramientas que usamos para dar forma a ese entorno son los mismos tipos de herramientas que usa Intel para hacer microchips. Luego organizamos una cena en la pecera para bacterias, plantas y hongos. Nosotros pon la mesa con comida y mira cómo eso influye en la fiesta».
Los científicos de ORNL que utilizan la plataforma han encontrado, por ejemplo, altas concentraciones de aminoácidos muy cerca de las raíces de las plantas, un fenómeno que no se había visto anteriormente. Si bien alguna vez se pensó que esos compuestos se movían y diluían a través de la estructura del suelo, ese no es el caso, dijo Cahill.
«La dinámica de fluidos en estos sistemas de chips está confinada, por lo que nos permite ver concentraciones de moléculas que no necesariamente anticiparías sin poder medirlas directamente usando la plataforma de chips», agregó.
Obtener información para mejores plantas
Para la investigación de bioenergía de ORNL, el impacto es «una mejor comprensión de cómo las plantas, los microbios y sus estados químicos se relacionan entre sí. Si podemos predecir y controlar esto, podemos usar ese conocimiento para desarrollar plantas que sean resistentes al medio ambiente, que crezcan más rápido». , son más baratos de producir y (son) por lo tanto más adecuados para la producción económica de biocombustibles sostenibles», dijo Cahill.
Las técnicas de imágenes espaciales desarrolladas por los investigadores de ORNL también podrían usarse para la investigación farmacológica para determinar si los compuestos de los medicamentos llegan y son absorbidos efectivamente por el cuerpo humano como parte de sus experimentos de «tumor en un chip», que podrían reemplazar pruebas similares. en ratones.
«Las grandes herramientas científicas que tenemos aquí en el laboratorio nacional y las interacciones fortuitas con científicos de todos los ámbitos es realmente lo que nos impulsa a desarrollar estas nuevas plataformas de investigación», dijo Retterer. «Es como una gran comida compartida científica donde traes tu plato favorito y lo compartes. Todos se mezclan en el plato y luego, de repente, tenemos esta gran rizosfera en un chip».
Retterer también enfatizó el papel de los equipos de investigación, quienes «dan vida a estas grandes ideas. Son nuestros técnicos, posdoctorados y estudiantes quienes hacen posible la investigación interdisciplinaria».
La investigación se publica en Lab on a Chip . Los colegas que trabajan en el proyecto en ORNL incluyen a Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy y Amber Webb. Jayde Aufrecht co-desarrolló la plataforma como estudiante de posgrado en ORNL y ahora trabaja en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, donde continúa colaborando en la investigación.
Más información: Jayde Aufrecht et al, Los puntos calientes de los aminoácidos exudados por la raíz se crean dentro de una rizosfera en un chip,
Lab on a Chip (2022). DOI: 10.1039/D1LC00705J
