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07 ENERO

BIOTECNOLOGÍA

Los investigadores de SMART diseñan un sensor basado en plantas para monitorear los niveles de arsénico en el suelo

Los investigadores de SMART diseñan un sensor basado en plantas para monitorear los niveles de arsénico en el suelo

Los dispositivos a nanoescala integrados en las hojas de las plantas vivas pueden detectar el metal pesado tóxico en tiempo real



Científicos del grupo de investigación de tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) de la Alianza de Investigación y Tecnología de Singapur-MIT (SMART), la empresa de investigación del MIT en Singapur, han diseñado un nuevo tipo de sensor óptico nanobiónico de plantas que puede detectar y monitorear , en tiempo real, los niveles de arsénico, un metal pesado altamente tóxico, en el medio subterráneo. Este desarrollo proporciona ventajas significativas sobre los métodos convencionales utilizados para medir el arsénico en el medio ambiente y será importante tanto para el monitoreo ambiental como para las aplicaciones agrícolas para salvaguardar la seguridad alimentaria, ya que el arsénico es un contaminante en muchos productos agrícolas comunes como el arroz, las verduras y las hojas de té.

Este nuevo enfoque se describe en un artículo titulado “Sensores nanobiónicos de plantas para la detección de arsénico”, publicado recientemente en Advanced Materials. El artículo fue dirigido por Tedrick Thomas Salim Lew, un estudiante recién graduado del MIT, y fue coautor de Michael Strano, investigador principal co-líder de DiSTAP y profesor Carbon P. Dubbs en el MIT, así como Minkyung Park y Jianqiao Cui, ambos estudiantes de posgrado del MIT.

El arsénico y sus compuestos son una seria amenaza para los seres humanos y los ecosistemas. La exposición prolongada al arsénico en humanos puede causar una amplia gama de efectos perjudiciales para la salud, incluidas enfermedades cardiovasculares como ataque cardíaco, diabetes, defectos de nacimiento, lesiones cutáneas graves y numerosos cánceres, incluidos los de piel, vejiga y pulmón. Los niveles elevados de arsénico en el suelo como resultado de actividades antropogénicas como la minería y la fundición también son dañinos para las plantas, inhiben el crecimiento y provocan pérdidas sustanciales de cultivos.

Los cultivos alimentarios pueden absorber arsénico del suelo, lo que lleva a la contaminación de los alimentos y productos que consumen los seres humanos. El arsénico en ambientes subterráneos también puede contaminar las aguas subterráneas y otras fuentes de agua subterráneas, cuyo consumo a largo plazo puede causar graves problemas de salud. Como tal, desarrollar sensores de arsénico precisos, efectivos y fáciles de implementar es importante para proteger tanto la industria agrícola como la seguridad ambiental en general.

Los nuevos nanosensores ópticos exhiben cambios en su intensidad de fluorescencia al detectar arsénico. Incrustados en los tejidos de las plantas, sin efectos perjudiciales sobre la planta, estos sensores proporcionan una forma no destructiva de monitorear la dinámica interna del arsénico absorbido por las plantas del suelo. Esta integración de nanosensores ópticos dentro de plantas vivas permite la conversión de plantas en detectores de arsénico autoamplificados de su entorno natural, lo que marca una mejora significativa con respecto a los métodos de muestreo de arsénico que requieren mucho tiempo y equipo de los métodos convencionales actuales.

"Nuestro nanosensor basado en plantas se destaca no solo por ser el primero de su tipo, sino también por las importantes ventajas que confiere sobre los métodos convencionales de medición de los niveles de arsénico en el entorno subterráneo, que requieren menos tiempo, equipo y mano de obra", dice Lew. "Prevemos que esta innovación eventualmente tendrá un amplio uso en la industria agrícola y más allá. Agradezco a SMART DiSTAP y al Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek (TLL), los cuales fueron fundamentales en la generación de ideas y el debate científico, así como en la financiación de la investigación para este trabajo”.

Además de detectar arsénico en arroz y espinaca, el equipo también utilizó una especie de helecho, Pteris cretica, que puede hiperacumular el arsénico. Esta especie de helecho puede absorber y tolerar altos niveles de arsénico sin ningún efecto perjudicial, diseñando un detector de arsénico ultrasensible a base de plantas, capaz de detectar concentraciones muy bajas de arsénico, tan bajas como 0.2 partes por mil millones. Por el contrario, el límite reglamentario para los detectores de arsénico es de 10 partes por mil millones. En particular, los nuevos nanosensores también se pueden integrar en otras especies de plantas. Los investigadores dicen que esta es la primera demostración exitosa de sensores de arsénico basados ​​en plantas vivas y representa un avance revolucionario que podría resultar muy útil tanto en la investigación agrícola (por ejemplo, para monitorear el arsénico absorbido por los cultivos comestibles para la seguridad alimentaria) como en el monitoreo ambiental general.

Anteriormente, los métodos convencionales para medir los niveles de arsénico incluían el muestreo de campo regular, la digestión, extracción y análisis de tejido vegetal mediante espectrometría de masas. Estos métodos consumen mucho tiempo, requieren un tratamiento de muestras extenso y, a menudo, implican el uso de instrumentación voluminosa y costosa. El nuevo enfoque combina los sensores de nanopartículas con la capacidad natural de las plantas para extraer analitos de manera eficiente a través de las raíces y transportarlos. Esto permite la detección de la absorción de arsénico en plantas vivas en tiempo real, con dispositivos electrónicos portátiles y económicos, como una plataforma Raspberry Pi portátil equipada con una cámara de dispositivo de carga acoplada similar a la cámara de un teléfono inteligente.

El coautor, co-investigador principal de DiSTAP y el profesor del MIT Michael Strano agrega: "Este es un avance enormemente emocionante, ya que, por primera vez, hemos desarrollado un sensor nanobiónico que puede detectar arsénico, un contaminante ambiental grave y potencial amenaza para la salud pública". Con sus innumerables ventajas sobre los métodos más antiguos de detección de arsénico, este sensor novedoso podría cambiar las reglas del juego, ya que no solo es más eficiente en el tiempo, sino también más preciso y más fácil de implementar que los métodos más antiguos. También ayudará a los científicos de plantas de organizaciones como TLL a producir más cultivos que resistan la absorción de elementos tóxicos. Inspirado por los esfuerzos recientes de TLL para crear cultivos de arroz que absorban menos arsénico, este trabajo es un esfuerzo paralelo para apoyar aún más los esfuerzos de SMART DiSTAP en la investigación de seguridad alimentaria.

La investigación la lleva a cabo SMART y cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) de Singapur en el marco de su programa Campus para la excelencia en la investigación y la empresa tecnológica (CREATE).

Dirigido por el investigador principal co-líder de Strano del MIT y Singapur, el profesor Chua Nam Hai, DiSTAP es uno de los cinco Grupos de Investigación Interdisciplinarios (IRG) en SMART. El programa DiSTAP aborda problemas profundos en la producción de alimentos en Singapur y el mundo mediante el desarrollo de un conjunto de tecnologías analíticas genéticas y biosintéticas novedosas e impactantes. El objetivo es cambiar fundamentalmente la forma en que se descubren, controlan, diseñan y, en última instancia, se traducen las vías biosintéticas de las plantas para satisfacer la demanda mundial de alimentos y nutrientes. Científicos del MIT, TTL, la Universidad Tecnológica de Nanyang y la Universidad Nacional de Singapur están desarrollando en colaboración nuevas herramientas para la medición continua de importantes metabolitos y hormonas vegetales para un descubrimiento novedoso, una comprensión y un control más profundos de las vías biosintéticas de las plantas de formas que aún no son posibles.

Especialmente en el contexto de las verduras de hoja verde; aprovechar estas nuevas técnicas para diseñar plantas con propiedades altamente deseables para la seguridad alimentaria mundial, incluida la producción de alta densidad de rendimiento, la resistencia a la sequía y los patógenos y la biosíntesis de productos comerciales de alto valor; desarrollar herramientas para producir componentes alimentarios hidrofóbicos en microbios relevantes para la industria; desarrollar nuevas tecnologías microbianas y enzimáticas para producir compuestos orgánicos volátiles que puedan proteger y/o promover el crecimiento de vegetales de hoja; y aplicar estas tecnologías para mejorar la agricultura urbana.

SMART fue fundada por MIT en asociación con NRF en 2007 y es la primera entidad en CREATE. SMART sirve como un centro intelectual y de innovación para la investigación de vanguardia entre el MIT y Singapur, y actualmente comprende un Centro de Innovación y cinco IRG: Resistencia a los antimicrobianos, Análisis crítico para la fabricación de medicina personalizada, DiSTAP, Movilidad urbana futura y Sistemas electrónicos de baja energía.

Traducción: Cecilia González P.

Publicado: 07 de enero de 2021

Fuente: MIT News

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