Микроинъекции из шелка повысят урожайность и качество продуктов

Исследователи из MIT и Сингапура разработали новый высокоточный метод доставки веществ растениям с использованием миниатюрных игл из шелка. Существующие методы распыления пестицидов приводят к тому, что от 30 до 50 процентов химикатов попадает в воздух или почву, не достигая цели. Новая технология призвана решить эту проблему.

В исследовании, опубликованном в журнале «Nature Nanotechnology», команда ученых описывает способ массового производства полых шелковых микроигл. С их помощью можно вводить агрохимикаты и питательные вещества непосредственно внутрь растений, а также контролировать их состояние.

Бенедетто Марелли, старший автор исследования и доцент кафедры гражданского и экологического инжиниринга в MIT, говорит, что существует большая потребность в повышении эффективности сельского хозяйства. По его словам, агрохимикаты важны для поддержки продовольственной системы, но они дороги и имеют побочные экологические эффекты, поэтому крайне необходимо доставлять их точно.

Работу возглавили Юньтенг Цао, ныне постдок Йельского университета, и Доюн Ким, бывший постдок в лаборатории Марелли. Исследование проводилось в сотрудничестве с междисциплинарной исследовательской группой DiSTAP (Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision) в рамках альянса SMART (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology).

В ходе экспериментов ученые использовали шелковые микроиглы для введения железа томатам, страдающим от хлороза – заболевания, снижающего урожайность. Также удалось обогатить плоды томатов витамином B12, повысив их питательную ценность. Кроме того, микроиглы показали свою эффективность в мониторинге качества поступающих в растения жидкостей и обнаружении тяжелых металлов в почве.

Исследователи полагают, что микроиглы могут стать новым инструментом для мониторинга здоровья растений в реальном времени и их биофортификации. Марелли считает, что эти микроиглы могут помочь ученым-растениеводам лучше понять здоровье растений и их рост. Он добавляет, что их также можно использовать для повышения ценности культур, делая их более устойчивыми и, возможно, даже увеличивая урожайность.

Доступ к внутренним тканям растений требует преодоления их воскового защитного слоя без нанесения значительного вреда. Предыдущие разработки на основе шелковых микроигл позволяли доставлять лишь небольшие объемы веществ, что ограничивало их применение в коммерческом сельском хозяйстве. Марелли объясняет, что микроиглы изначально разрабатывались для доставки вакцин или других лекарств людям. Он говорит, что теперь они адаптировали технологию для работы с растениями, но первоначально не могли доставлять достаточные дозы агрохимикатов и питательных веществ.

Для решения этой задачи Цао и Ким разработали новый метод производства полых шелковых микроигл. Процесс включает смешивание белка шелка фиброина с солевым раствором в крошечных конических формах. По мере испарения воды шелк затвердевает, а соль образует внутри кристаллические структуры. После удаления соли остаются полые каналы или поры, в зависимости от концентрации соли. Ким утверждает, что это довольно простой производственный процесс, который можно проводить вне «чистой комнаты», даже на кухне, и он не требует дорогостоящего оборудования.

Эффективность полых микроигл была продемонстрирована на томатах с дефицитом железа. Иглы обеспечили длительную доставку железа без вреда для растений, что является более эффективной и экологичной альтернативой опрыскиванию. Также удалось обогатить растущие томаты витамином B12, который обычно содержится в продуктах животного происхождения. Витамин переместился из стебля в плоды еще до сбора урожая. Ученые предполагают, что этот метод можно использовать для обогащения и других культур.

Соавтор исследования Дайсуке Урано, специалист по растениям из DiSTAP, поясняет, что всесторонняя оценка показала минимальные побочные эффекты от инъекций микроигл у растений, без наблюдаемых краткосрочных или долгосрочных негативных последствий. Марелли объясняет, что этот новый механизм доставки открывает множество потенциальных применений, поэтому они хотели сделать что-то новаторское.

Микроиглы также могут использоваться для мониторинга здоровья растений. Исследователи смогли обнаружить кадмий, токсичный тяжелый металл, в стеблях томатов, выращенных в загрязненном гидропонном растворе, всего за 15 минут после введения игл. Этот метод позволяет проводить быструю диагностику, в отличие от существующих продвинутых техник, которые часто выявляют проблемы уже после замедления роста растений. Микроиглы упрощают сбор сока растений для непрерывного химического анализа, позволяя отслеживать, например, уровень кадмия в течение 18 часов.

Ученые видят в микроиглах технологию, которая может дополнить существующие сельскохозяйственные практики, такие как опрыскивание. Они отмечают, что технология имеет потенциал и за пределами сельского хозяйства, например, в биомедицинской инженерии. Цао полагает, что эта новая техника изготовления полимерных микроигл может также принести пользу исследованиям в области трансдермальной и внутрикожной доставки лекарств и мониторинга здоровья.

В сельском хозяйстве же, по мнению Марелли, микроиглы открывают путь к более точным и устойчивым практикам. Он говорит, что они хотят максимизировать рост растений, не оказывая негативного влияния на здоровье фермы или биоразнообразие окружающих экосистем. Он считает, что не должно быть компромисса между сельским хозяйством и окружающей средой – они должны работать вместе.