Los investigadores han desarrollado un nanosensor fluorescente de infrarrojo cercano (NIR) capaz de detectar y diferenciar simultáneamente entre formas de hierro (Fe(II) y Fe(III)) en plantas vivas.
por la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología
El artículo, titulado » Nanosensor para Fe(II) y Fe(III) que permite la detección espaciotemporal en plantas «, se publica en Nano Letters .
La colaboración incluye investigadores del grupo de investigación interdisciplinario (IRG) de Tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) de la Alianza Singapur-MIT para la investigación y la tecnología (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, en colaboración con Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
El hierro es fundamental para la salud de las plantas , ya que favorece la fotosíntesis, la respiración y la función enzimática. Existe principalmente en dos formas: Fe(II), que las plantas pueden absorber y utilizar fácilmente, y Fe(III), que primero debe convertirse en Fe(II) para que las plantas puedan utilizarlo de forma eficaz.
Los métodos tradicionales solo miden el hierro total y no distinguen entre estas formas, un factor clave en la nutrición de las plantas. La distinción entre Fe(II) y Fe(III) brinda información sobre la eficiencia de la absorción de hierro, ayuda a diagnosticar deficiencias o toxicidades y permite estrategias de fertilización precisas en la agricultura, lo que reduce los desechos y el impacto ambiental, al tiempo que mejora la productividad de los cultivos.
Este nanosensor, el primero de su tipo, desarrollado por investigadores de SMART, permite el monitoreo no destructivo en tiempo real de la absorción, el transporte y los cambios del hierro entre sus diferentes formas, como Fe(II) y Fe(III), proporcionando observaciones precisas y detalladas de la dinámica del hierro.
Su alta resolución espacial permite la localización precisa del hierro en los tejidos vegetales o en los compartimentos subcelulares, lo que posibilita medir incluso cambios minúsculos en los niveles de hierro dentro de las plantas; estos cambios minúsculos pueden informar cómo una planta maneja el estrés y utiliza los nutrientes.
Los métodos de detección tradicionales son destructivos o se limitan a una única forma de hierro. Esta nueva tecnología permite diagnosticar deficiencias y optimizar las estrategias de fertilización. Al identificar la ingesta insuficiente o excesiva de hierro, se pueden realizar ajustes para mejorar la salud de las plantas, reducir los desechos y apoyar una agricultura más sostenible.
Si bien el nanosensor se probó en espinacas y bok choy, es independiente de la especie, lo que permite aplicarlo en una amplia gama de especies de plantas sin modificación genética. Esta capacidad mejora nuestra comprensión de la dinámica del hierro en diversos entornos ecológicos, lo que proporciona información integral sobre la salud de las plantas y la gestión de nutrientes.
Como resultado, sirve como una herramienta valiosa tanto para la investigación fundamental de plantas como para aplicaciones agrícolas, apoyando la gestión precisa de nutrientes, reduciendo el desperdicio de fertilizantes y mejorando la salud de los cultivos.
«El hierro es esencial para el crecimiento y el desarrollo de las plantas , pero controlar sus niveles en ellas ha sido un desafío. Este innovador sensor es el primero de su tipo que detecta tanto Fe(II) como Fe(III) en plantas vivas con imágenes de alta resolución en tiempo real. Con esta tecnología, podemos asegurarnos de que las plantas reciban la cantidad adecuada de hierro, mejorando la salud de los cultivos y la sostenibilidad agrícola», afirmó el Dr. Duc Thinh Khong, científico investigador de DiSTAP y coautor principal del artículo.
«Al permitir el seguimiento no destructivo en tiempo real de la especiación del hierro en las plantas, este sensor abre nuevas vías para comprender el metabolismo del hierro en las plantas y las implicaciones de las diferentes variaciones de hierro para las plantas. Este conocimiento ayudará a orientar el desarrollo de enfoques de gestión personalizados para mejorar el rendimiento de los cultivos y estrategias de fertilización del suelo más rentables», afirmó la Dra. Grace Tan, científica investigadora de TLL y coautora principal del artículo.
La investigación se basa en la experiencia consolidada de SMART DiSTAP en nanobiónica vegetal, aprovechando la plataforma de reconocimiento molecular en fase corona (CoPhMoRe) desarrollada por el Laboratorio Strano en SMART DiSTAP y el MIT.
El nuevo nanosensor cuenta con nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) envueltos en un polímero fluorescente con carga negativa, formando una estructura de fase corona helicoidal que interactúa de manera diferente con Fe(II) y Fe(III). Tras la introducción en los tejidos de la planta y la interacción con el hierro, el sensor emite señales de fluorescencia NIR distintas en función del tipo de hierro, lo que permite el seguimiento en tiempo real del movimiento del hierro y los cambios químicos.
Se utilizó la técnica CoPhMoRe para desarrollar respuestas fluorescentes altamente selectivas, permitiendo la detección precisa de los estados de oxidación del hierro.
La fluorescencia NIR de los SWNT ofrece una sensibilidad, selectividad y transparencia tisular superiores, a la vez que minimiza las interferencias, lo que los hace más eficaces que los sensores fluorescentes convencionales. Esta capacidad permite a los investigadores rastrear el movimiento del hierro y los cambios químicos en tiempo real mediante imágenes NIR.
«Este sensor proporciona una herramienta poderosa para estudiar el metabolismo de las plantas, el transporte de nutrientes y las respuestas al estrés. Apoya el uso optimizado de fertilizantes, reduce los costos y el impacto ambiental y contribuye a cultivos más nutritivos, una mejor seguridad alimentaria y prácticas agrícolas sostenibles», dijo el profesor Daisuke Urano, investigador principal sénior de TLL, investigador principal de DiSTAP, profesor adjunto adjunto de NUS y coautor correspondiente del artículo.
«Este conjunto de sensores nos da acceso a un tipo importante de señalización en las plantas y a un nutriente crítico necesario para que las plantas produzcan clorofila. Esta nueva herramienta no solo ayudará a los agricultores a detectar la deficiencia de nutrientes, sino que también dará acceso a ciertos mensajes dentro de la planta. Amplía nuestra capacidad para comprender la respuesta de una planta a su entorno de crecimiento», dijo el profesor Michael Strano, co-investigador principal de DiSTAP, profesor de Ingeniería química Carbon P. Dubbs en el MIT y coautor correspondiente del artículo.
Más allá de la agricultura, este nanosensor es prometedor para el monitoreo ambiental, la seguridad alimentaria y las ciencias de la salud, particularmente en el estudio del metabolismo del hierro, la deficiencia de hierro y las enfermedades relacionadas con el hierro en humanos y animales.
Las futuras investigaciones se centrarán en aprovechar este nanosensor para avanzar en los estudios fundamentales de las plantas sobre la homeostasis del hierro , la señalización de nutrientes y la dinámica redox. También se están realizando esfuerzos para integrar el nanosensor en sistemas automatizados de gestión de nutrientes para la agricultura hidropónica y basada en el suelo y ampliar su funcionalidad para detectar otros micronutrientes esenciales. Estos avances tienen como objetivo mejorar la sostenibilidad, la precisión y la eficiencia en la agricultura.
Más información: Duc Thinh Khong et al, Nanosensor para Fe(II) y Fe(III) que permite la detección espaciotemporal en plantas, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05600
