Wetenschappers ontwikkelen zijden micronaalden om voedingsstoffen en chemicaliën aan planten te leveren

Wanneer boeren pesticiden op hun gewassen aanbrengen, belanden 30 tot 50% van de chemicaliën in de lucht of grond in plaats van op de planten. Nu heeft een team van onderzoekers uit MIT en Singapore een veel preciezere manier ontwikkeld om stoffen te leveren aan planten: kleine naalden gemaakt van zijde.

In een studie gepubliceerd in Natuurnanotechnologieontwikkelden de onderzoekers een manier om grote hoeveelheden van deze holle zijden micronaals te produceren. Ze gebruikten ze om agrochemicaliën en voedingsstoffen in planten te injecteren en hun gezondheid te volgen.

“Er is een grote behoefte om de landbouw efficiënter te maken”, zegt Benedetto Marelli, senior auteur van de studie en universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan MIT. “Agrochemicaliën zijn belangrijk voor het ondersteunen van ons voedselsysteem, maar ze zijn ook duur en brengen milieu -bijwerkingen, dus er is een grote behoefte om ze precies te leveren.”

Yunteng Cao Ph.D. ’22, momenteel een postdoc Yale University, en Doyoon Kim, een voormalige postdoc in het Marelli Lab, leidden de studie, waaronder een samenwerking met de disruptieve en duurzame technologieën voor agrarische precisie (Distap) interdisciplinaire onderzoeksgroep bij de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (Smart).

In demonstraties gebruikte het team de techniek om planten ijzer te geven om een ​​ziekte te behandelen die bekend staat als chlorose, en om vitamine B12 toe te voegen aan tomatenplanten om ze voedzamer te maken. De onderzoekers toonden ook aan dat de micronaals konden worden gebruikt om de kwaliteit van vloeistoffen te controleren die in planten stromen en om te detecteren wanneer de omringende grond zware metalen bevatte.

Over het algemeen geloven de onderzoekers dat de micronaaltjes kunnen dienen als een nieuw soort fabrieksinterface voor realtime gezondheidsmonitoring en biofortificatie.

“Deze micronaadles kunnen een hulpmiddel zijn voor plantenwetenschappers, zodat ze meer kunnen begrijpen over de gezondheid van planten en hoe ze groeien”, zegt Marelli. “Maar ze kunnen ook worden gebruikt om waarde toe te voegen aan gewassen, waardoor ze veerkrachtiger worden en mogelijk zelfs toenemende opbrengsten.”

De innerlijke werking van planten

Toegang tot de binnenste weefsels van levende planten vereist dat wetenschappers door de wasachtige huid van de planten komen zonder te veel stress te veroorzaken. In eerder werk gebruikten de onderzoekers op zijden gebaseerde micronaals om agrochemicaliën te leveren aan planten in laboratoriumomgevingen en om pH-veranderingen in levende planten te detecteren. Maar deze eerste inspanningen omvatten kleine payloads, waardoor hun toepassingen in commerciële landbouw worden beperkt.

“Micronaadles werden oorspronkelijk ontwikkeld voor de afgifte van vaccins of andere medicijnen bij mensen”, legt Marelli uit. “Nu hebben we het aangepast zodat de technologie met planten kan werken, maar in eerste instantie konden we niet voldoende doses agrochemicaliën en voedingsstoffen leveren om stressoren te verminderen of de voedingswaarden van gewas te verbeteren.”

Holle structuren kunnen de hoeveelheid chemicaliën die micronaals kan leveren, kunnen vergroten, maar Marelli zegt dat het maken van die structuren op schaal historisch gezien schone kamers en dure faciliteiten heeft vereiste, zoals die in het MIT.NANO -gebouw.

Voor deze studie creëerden CAO en Kim een ​​nieuwe manier om holle zijden micronaals te produceren door zijden fibroïne-eiwit te combineren met een zoute oplossing in kleine, kegelvormige vormen. Terwijl water uit de oplossing verdampte, stolde de zijde in de mal terwijl het zout kristallijne structuren in de vormen vormt. Toen het zout werd verwijderd, liet het in elke naald een holle structuur of kleine poriën achter, afhankelijk van de zoutconcentratie en de scheiding van de organische en anorganische fasen.

“Het is een vrij eenvoudig fabricageproces. Het kan buiten een schone kamer worden gedaan – je zou het in je keuken kunnen doen als je wilde,” zegt Kim. “Het vereist geen dure machines.”

De onderzoekers testten vervolgens het vermogen van hun micronaadles om ijzer te leveren aan tomatenplanten van ijzer-deficiënte, die een ziekte kunnen veroorzaken die bekend staat als chlorose. Chlorose kan de opbrengsten verminderen, maar het behandelen van gewassen is inefficiënt en kan omgevings bijwerkingen hebben. De onderzoekers toonden aan dat hun holle micronaals konden worden gebruikt voor de aanhoudende levering van ijzer zonder de planten te schaden.

De onderzoekers toonden ook aan dat hun micronaals konden worden gebruikt om gewassen te versterken terwijl ze groeien. Historisch gezien zijn de inspanningen van de versterkingsversterking gericht op mineralen zoals zink of ijzer, met vitamines alleen toegevoegd nadat het voedsel is geoogst.

In elk geval hebben de onderzoekers de micronaals met de hand op de stengels van planten toegepast, maar Marelli stelt voor dat autonome voertuigen en andere apparatuur al in boerderijen worden gebruikt om het proces te automatiseren en te schalen.

Als onderdeel van de studie gebruikten de onderzoekers micronaalden om vitamine B12, die voornamelijk van nature in dierlijke producten te vinden, in de stengels van groeiende tomaten te leveren, waaruit blijkt dat vitamine B12 vóór de oogst in de tomatenvruchten ging. De onderzoekers stellen voor dat hun methode kan worden gebruikt om meer planten met de vitamine te versterken.

Co-auteur Daisuke Urano, een plantenwetenschapper met distap, legt uit dat “door een uitgebreide beoordeling, we minimale nadelige effecten hebben aangetoond door micronoon-injecties in planten, zonder waargenomen negatieve effecten op korte of lange termijn.”

“Dit nieuwe leveringsmechanisme opent veel potentiële toepassingen, dus we wilden iets doen dat niemand eerder had gedaan”, legt Marelli uit.

Ten slotte onderzochten de onderzoekers het gebruik van hun micronaals om de gezondheid van planten te controleren door tomaten te bestuderen die groeien in hydrocultuuroplossingen die zijn vervuild met cadmium, een giftig metaal dat vaak wordt aangetroffen in boerderijen in de buurt van industriële en mijnbouwplaatsen. Ze toonden dat hun micronaals het toxine binnen 15 minuten na het geïnjecteerd in de tomatenstelen absorbeerden, waardoor een pad naar snelle detectie werd geboden.

Huidige geavanceerde technieken voor het monitoren van de gezondheid van planten, zoals colorimetrische en hyperspectrale loodanalyses, kunnen alleen problemen detecteren nadat de groei van de planten al is belemmerd. Andere methoden, zoals SAP-bemonstering, kunnen te tijdrovend zijn.

Microneedles kunnen daarentegen worden gebruikt om SAP gemakkelijker te verzamelen voor voortdurende chemische analyse. De onderzoekers toonden bijvoorbeeld aan dat ze in de loop van 18 uur cadmiumspiegels in tomaten konden volgen.

Een nieuw platform voor landbouw

De onderzoekers geloven dat de micronaals kunnen worden gebruikt om bestaande landbouwpraktijken zoals spuiten aan te vullen. De onderzoekers merken ook op dat de technologie toepassingen heeft die verder gaan dan de landbouw, zoals in Biomedical Engineering.

“Deze nieuwe polymere microneedle-fabricagetechniek kan ook ten goede komen aan onderzoek in micronedle-gemedieerde transdermale en intradermale medicijnafgifte en gezondheidsbewaking”, zegt Cao.

Voorlopig gelooft Marelli echter dat de micronaaltjes een pad bieden naar meer precieze, duurzame landbouwpraktijken.

“We willen de groei van planten maximaliseren zonder de gezondheid van de boerderij of de biodiversiteit van omliggende ecosystemen negatief te beïnvloeden,” zegt Marelli. “Er zou geen afweging moeten zijn tussen de landbouwindustrie en het milieu. Ze moeten samenwerken.”