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Desarrollan nuevo sistema de inyección de alta precisión para plantas


Las microagujas hechas de material a base de seda pueden dirigirse a los tejidos vegetales para la entrega de micronutrientes, hormonas o genes.


MIT / 27 de abril, 2020.- 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 amenazados en muchas áreas debido a enfermedades que afectan los sistemas circulatorios de las plantas y que no pueden tratarse aplicando pesticidas.

Un nuevo método desarrollado por ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (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 adaptarlos para desarrollar biomateriales específicos para plantas y dispositivos de administración de medicamentos.

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 estudio 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 Whitehead Institute for Biomedical Research.

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 desde las raíces hasta pabellón) o floema (el tejido vascular que circula 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 pueden usarse para tomar muestras de las plantas para análisis de laboratorio.

El trabajo comenzó en respuesta a una solicitud del Departamento de Agricultura de los EE. UU. (USDA) para obtener ideas sobre cómo abordar la crisis del enverdecimiento de los cítricos, que amenaza el colapso de una industria de US$9 mil millones, dice Marelli. La enfermedad se transmite por un insecto llamado psílido asiático de los cítricos que transporta una bacteria a la planta. Todavía no hay cura para ello, y millones de hectáreas de huertos estadounidenses ya han sido devastados. En respuesta, el laboratorio de Marelli se puso en marcha para desarrollar la novedosa tecnología de microagujas, dirigida por Cao como su proyecto de tesis.

Marelli explica que 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 sobre las hojas o tallos de una planta, y poco o nada penetra en el sistema de raíces. Tales tratamientos pueden parecer funcionar por un corto tiempo, pero luego las bacterias se recuperan y hacen su 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 transportar un compuesto antibacteriano hacia las raíces. Eso es justo lo que podría lograr una 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.

Ejemplos de inyección al sistema de vasculatura en planta de tomate. a) Una planta de tomate inyectada en el pecíolo por una serie de fitoinyectores cargados con rodamina 6G. La matriz de fitoinyectores se muestra en la parte superior izquierda. Barra de escala: 1 mm. b) Sección transversal del sitio de inyección, que representa un fitoinyector que llega al sistema de vasculatura del pecíolo de tomate. Barra de escala: 500 µm. c) Imagen de campo brillante de una sección histológica de la sección transversal del tallo en el sitio de inyección. Barra de escala: 200 µm. | Imagen: Marelli, 2020.

“Descubrimos que las adaptaciones de un material diseñado para la administración de fármacos en humanos a las plantas no era sencillo, debido a las diferencias no solo en la vasculatura del tejido, sino también en la composición del líquido”, dice Lim. Las microagujas diseñadas para uso humano estaban destinadas a biodegradarse 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 en el floema. Los investigadores tuvieron que diseñar un nuevo material, pero decidieron quedarse con la seda como base. Esto se debe a la resistencia de la seda, su inercia en las plantas (lo que evita los 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 hidrofilicidad de la seda (haciendo que atraiga agua), al tiempo que mantuvieron 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, que se mueven a través 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, puede usarse “para entregar cargas útiles en 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 ingeniero de 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 típica de biotecnología, 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 pueda usarse, por ejemplo, para bioingeniería de variedades de cultivos importantes resistentes a enfermedades plantas El equipo también realizó pruebas con una pistola de dardos de juguete modificada montada en un pequeño dron, que fue capaz de disparar microagujas en 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 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 tener dispositivos específicos para cada 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 Fundación Nacional de Ciencia y la Fundación Keck.


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