Investigadores del Grupo de Investigación Interdisciplinario (IRG) de Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) de Singapur-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, y sus colaboradores del Laboratorio de Ciencias de la Vida Temasek (TLL) y El Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado la primera técnica de administración de fármacos basada en microagujas para plantas. El método se puede utilizar para administrar con precisión cantidades controladas de agroquímicos a tejidos vegetales específicos con fines de investigación. Cuando se aplica en el campo, podría usarse en agricultura de precisión para mejorar la calidad de los cultivos y el manejo de enfermedades.

Las crecientes condiciones ambientales causadas por el cambio climático, una población humana en constante crecimiento, la escasez de tierra cultivable y los recursos limitados están presionando a la industria agrícola para que adopte prácticas más sostenibles y precisas que fomenten un uso más eficiente de los recursos (por ejemplo, agua, fertilizantes y pesticidas). ) y mitigación de impactos ambientales. El desarrollo de sistemas de entrega que implementen agroquímicos de manera eficiente, como micronutrientes, pesticidas y antibióticos en los cultivos, ayudará a garantizar una alta productividad y una alta calidad de los productos, mientras que minimizar el desperdicio de recursos es crucial.

Sin embargo, las prácticas actuales y estándar para la aplicación de agroquímicos en las plantas, como la pulverización foliar, son ineficientes debido a la aplicación fuera del objetivo, la rápida escorrentía con la lluvia y la rápida degradación de los activos. Estas prácticas también causan importantes efectos secundarios perjudiciales para el medio ambiente, como la contaminación del agua y el suelo, la pérdida de biodiversidad y la degradación de los ecosistemas; y problemas de salud pública, como problemas respiratorios, exposición a sustancias químicas y contaminación de los alimentos.

La novedosa técnica de microagujas a base de seda desarrollada por SMART elude estas limitaciones al desplegar y apuntar una cantidad conocida de carga útil directamente a los tejidos profundos de una planta, lo que conducirá a una mayor eficacia del crecimiento de la planta y ayudará con el control de enfermedades. La técnica es mínimamente invasiva ya que entrega el compuesto sin causar daños a largo plazo a las plantas y es ambientalmente sostenible. Minimiza el desperdicio de recursos y mitiga los efectos secundarios adversos causados ​​por la contaminación agroquímica del medio ambiente. Además, ayudará a fomentar prácticas agrícolas precisas y proporcionará nuevas herramientas para estudiar plantas y diseñar rasgos de cultivos, lo que ayudará a garantizar la seguridad alimentaria.

Descrito en un artículo titulado « Administración de medicamentos en plantas usando microagujas de seda », publicado en la edición de enero de 2023 de Advanced Materials, la investigación estudia las primeras microagujas poliméricas utilizadas para administrar pequeños compuestos a una amplia variedad de plantas y la respuesta de la planta a inyección de biomateriales. A través del análisis de la expresión génica, los investigadores pudieron examinar de cerca las reacciones a la administración de fármacos después de la inyección de microagujas. Se observó una formación mínima de cicatrices y callos, lo que sugiere una herida mínima inducida por la inyección en la planta. La prueba de concepto proporcionada en este estudio abre la puerta a la aplicación de microagujas de plantas en biología vegetal y agricultura, lo que permite nuevos medios para regular la fisiología de las plantas y estudiar los metabolismos a través de la entrega eficiente y efectiva de cargas útiles.

El estudio optimizó el diseño de microagujas para apuntar al sistema de transporte sistémico en Arabidopsis (berro oreja de ratón), la planta modelo elegida. Para la entrega se seleccionó el ácido giberélico (GA3), un regulador del crecimiento vegetal ampliamente utilizado en la agricultura. Los investigadores descubrieron que administrar GA3 a través de microagujas era más efectivo para promover el crecimiento que los métodos tradicionales (como el rociado foliar). Luego confirmaron la efectividad utilizando métodos genéticos y demostraron que la técnica es aplicable a varias especies de plantas, incluidas hortalizas, cereales, soja y arroz.

El profesor Benedetto Marelli, coautor correspondiente del artículo, investigador principal de DiSTAP y profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT, compartió : « La técnica ahorra recursos en comparación con los métodos actuales de entrega de agroquímicos, que se desperdician. Durante Después de la aplicación, las microagujas rompen las barreras de tejido y liberan compuestos directamente dentro de las plantas, evitando pérdidas de agroquímicos.La técnica también permite un control preciso de las cantidades del agroquímico utilizado, asegurando una agricultura de precisión de alta tecnología y el crecimiento de los cultivos para optimizar el rendimiento.  »

« La primera técnica de su tipo es revolucionaria para la industria agrícola. También minimiza el desperdicio de recursos y la contaminación ambiental. En el futuro, con la posibilidad de la aplicación automatizada de microagujas, la técnica se puede utilizar en exteriores e interiores de alta tecnología. granjas para la entrega precisa de agroquímicos y el manejo de enfermedades », agregó el Dr. Yunteng Cao, primer autor del artículo y asociado postdoctoral de ingeniería civil y ambiental en el MIT.

« Este trabajo también destaca la importancia de usar herramientas genéticas para estudiar las respuestas de las plantas a los biomateriales. El análisis de estas respuestas a nivel genético ofrece una comprensión integral de estas respuestas, lo que sirve como guía para el desarrollo de futuros biomateriales que se pueden usar en todo el mundo. industria agroalimentaria », dijo Sally Koh, coautora de este trabajo y candidata a doctorado de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y TLL.

El futuro parece prometedor, ya que el profesor Daisuke Urano, coautor correspondiente del artículo, investigador principal de TLL y profesor asistente adjunto de NUS, elaboró : « Nuestra investigación ha validado el uso de microagujas a base de seda para la aplicación de agroquímicos, y esperamos seguir desarrollando la técnica y el diseño de microagujas en un modelo escalable para la fabricación y comercialización. Al mismo tiempo, también estamos investigando activamente aplicaciones potenciales que podrían tener un impacto significativo en la sociedad ».

El estudio de la administración de fármacos en plantas que utilizan microagujas de seda amplió investigaciones anteriores supervisadas por el profesor Benedetto Marelli en el MIT. La idea original fue concebida por SMART y el MIT : el Prof. Marelli, el Prof. Nam-Hai Chua, co-investigador principal principal de DiSTAP y el Dr. Yunteng Cao. Los investigadores de TLL y NUS, el Prof. Urano Daisuke y Sally Koh, se unieron al estudio para contribuir con perspectivas biológicas. La investigación la lleva a cabo SMART y cuenta con el apoyo de NRF en el marco de su programa Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).