Los ingenieros desarrollan un sistema de inyección de precisión para las plantas

Un nuevo método desarrollado por los ingenieros del MIT puede ofrecer un punto de partida para ofrecer tratamientos que salven la vida de las plantas devastadas por estas enfermedades.

Estas enfermedades son difíciles de detectar a tiempo y de tratar, dada la falta de herramientas de precisión para acceder a la vasculatura de las plantas para tratar los patógenos y tomar muestras de los biomarcadores. El equipo del MIT decidió tomar algunos de los principios de la medicina de precisión para el ser humano y adaptarlos para desarrollar biomateriales específicos de plantas y dispositivos de suministro de medicamentos.

El método utiliza un conjunto de microagujas hechas de un biomaterial basado en la seda para entregar nutrientes, drogas u otras moléculas a partes específicas de la planta. Los hallazgos se describen en la revista Advanced Science, en un artículo de los profesores del MIT Benedetto Marelli y Jing-Ke-Weng, el estudiante de posgrado Yunteng Cao, el postdoctorado Eugene Lim en el MIT, y el postdoctorado Menglong Xu en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica.

Las microagujas, a las que los investigadores llaman fitoinyectores, pueden fabricarse 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 de agua desde las raíces hasta el dosel) o floema (el tejido vascular que hace circular los metabolitos por toda la planta). En las pruebas de laboratorio, el equipo utilizó plantas de tomate y tabaco, pero el sistema podía adaptarse a casi cualquier cultivo, dicen. Las microagujas no sólo pueden entregar cargas útiles específicas de moléculas en la planta, sino que también pueden utilizarse para tomar muestras de las plantas para su análisis en el laboratorio.

El trabajo comenzó en respuesta a una solicitud del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de ideas sobre cómo abordar la crisis del enverdecimiento de los cítricos, que amenaza con el colapso de una industria de 9.000 millones de dólares, dice Marelli. La enfermedad se propaga a través de un insecto llamado el psílido asiático de los cítricos que lleva una bacteria a la planta. Todavía no hay cura para ella, y millones de acres de huertos estadounidenses ya han sido devastados. En respuesta, el laboratorio de Marelli se puso en marcha para desarrollar la novedosa tecnología de micronúcleo, dirigida por Cao como su proyecto de tesis.

La enfermedad infecta el floema de toda la planta, incluyendo las raíces, que son muy difíciles de alcanzar con cualquier tratamiento convencional, explica Marelli. La mayoría de los plaguicidas simplemente se rocían o pintan sobre las hojas o tallos de una planta, y poco o nada penetra en el sistema de raíces. Estos tratamientos pueden parecer eficaces durante un corto tiempo, pero luego las bacterias rebotan y hacen su daño. Lo que se necesita es algo que pueda atacar el floema que circula a través de los tejidos de una planta, que podría llevar un compuesto antibacteriano hasta las raíces. Eso es justo lo que alguna versión de las nuevas microagujas podría lograr potencialmente, dice.

"Queríamos resolver el problema técnico de cómo se puede tener un acceso preciso a la vasculatura de la planta", añade Cao. Esto permitiría a los investigadores inyectar pesticidas, por ejemplo, que serían transportados entre el sistema de raíces y las hojas. Los enfoques actuales utilizan "agujas que son muy grandes y muy invasivas, y eso da lugar a que se dañe la planta", dice. Para encontrar un sustituto, se basaron en trabajos anteriores en los que se habían producido microagujas utilizando material a base de seda para inyectar vacunas humanas.

"Encontramos que las adaptaciones de un material diseñado para la administración de drogas en humanos a las plantas no era sencillo, debido a las diferencias no sólo en la vasculatura de los tejidos, sino también en la composición de los fluidos", dice Lim. Las microagujas diseñadas para el uso humano estaban destinadas a biodegradarse naturalmente en la humedad del cuerpo, pero las plantas tienen mucha menos agua disponible, por lo que el material no se disolvía y no era útil para entregar el pesticida u otras macromoléculas en el floema. Los investigadores tuvieron que diseñar un nuevo material, pero decidieron seguir con la seda como base. Esto se debe a la fuerza de la seda, su inercia en las plantas (evitando efectos secundarios indeseables), y el hecho de que se degrada en partículas diminutas que no corren el riesgo de obstruir los sistemas de vascularización interna de la planta.

Utilizaron herramientas biotecnológicas para aumentar la hidrofilicidad de la seda (haciendo que atraiga el agua), manteniendo al mismo tiempo el material lo suficientemente fuerte para penetrar en la epidermis de la planta y lo suficientemente degradable como para quitarse de en medio.

Por supuesto, probaron el material en sus plantas de tomate y tabaco de laboratorio, y pudieron observar materiales inyectados, en este caso moléculas fluorescentes, moviéndose a lo largo de toda la planta, desde las raíces hasta las hojas.

"Creemos que es una nueva herramienta que puede ser utilizada por los biólogos y bioingenieros de plantas para comprender mejor los fenómenos de transporte en las plantas", dice Cao. Además, puede utilizarse "para entregar cargas útiles en las plantas, y esto puede resolver varios problemas". Por ejemplo, se puede pensar en entregar micronutrientes, o se puede pensar en entregar genes, para cambiar la expresión de los genes de la planta o para básicamente diseñar una planta".

"Ahora, los intereses del laboratorio para los fitoinyectores se han ampliado más allá de la administración de antibióticos, a la ingeniería genética y los diagnósticos en el punto de atención", añade Lim.

Por ejemplo, en sus experimentos con plantas de tabaco, fueron capaces de inyectar un organismo llamado Agrobacterium para alterar el ADN de la planta - una típica herramienta de bioingeniería, pero entregada de una manera nueva y precisa.

Hasta ahora, se trata de una técnica de laboratorio que utiliza equipo de precisión, por lo que en su forma actual no sería útil para aplicaciones a escala agrícola, pero se espera que pueda utilizarse, por ejemplo, para hacer bioingeniería con variedades resistentes a las enfermedades de importantes plantas de cultivo. El equipo también ha hecho pruebas utilizando una pistola de dardos de juguete modificada, montada en un pequeño zángano, que fue capaz de disparar microagujas a las plantas en el campo. En última instancia, ese proceso podría automatizarse utilizando vehículos autónomos, dice Marelli, para su uso a escala agrícola.

Mientras tanto, el equipo sigue trabajando en la adaptación del sistema a las diversas necesidades y condiciones de los diferentes tipos de plantas y sus tejidos. "Hay mucha variación entre ellas, realmente", dice Marelli, por lo que hay que pensar en tener dispositivos que sean específicos de la planta. En 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.