La espinaca ya no es solo un superalimento:al incrustar hojas con nanotubos de carbono, Los ingenieros del MIT han transformado las plantas de espinaca en sensores que pueden detectar explosivos y transmitir esa información de forma inalámbrica a un dispositivo de mano similar a un teléfono inteligente.

Esta es una de las primeras demostraciones de ingeniería de sistemas electrónicos en plantas, un enfoque que los investigadores denominan "nanobiónica vegetal".

"El objetivo de la nanobiónica vegetal es introducir nanopartículas en la planta para darle funciones no nativas, "dice Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT y el líder del equipo de investigación.

En este caso, las plantas fueron diseñadas para detectar compuestos químicos conocidos como nitroaromáticos, que se utilizan a menudo en minas terrestres y otros explosivos. Cuando uno de estos químicos está presente en el agua subterránea muestreada naturalmente por la planta, Los nanotubos de carbono incrustados en las hojas de las plantas emiten una señal fluorescente que se puede leer con una cámara de infrarrojos. La cámara se puede conectar a una pequeña computadora similar a un teléfono inteligente, que luego envía un correo electrónico al usuario.

"Esta es una demostración novedosa de cómo hemos superado la barrera de comunicación entre plantas y humanos, "dice Strano, quien cree que la energía de la planta también podría aprovecharse para advertir sobre contaminantes y condiciones ambientales como la sequía.

Strano es el autor principal de un artículo que describe las plantas nanobiónicas en la edición del 31 de octubre de Materiales de la naturaleza . El autor principal del artículo es Min Hao Wong, un estudiante de posgrado del MIT que ha iniciado una empresa llamada Plantea para desarrollar aún más esta tecnología.

Monitoreo ambiental

Hace dos años, en la primera demostración de nanobiónica vegetal, Strano y el ex postdoctorado del MIT Juan Pablo Giraldo utilizaron nanopartículas para mejorar la capacidad de fotosíntesis de las plantas y convertirlas en sensores de óxido nítrico. un contaminante producido por combustión.

Las plantas son ideales para monitorear el medio ambiente porque ya reciben mucha información de su entorno, Dice Strano.

"Las plantas son muy buenos químicos analíticos, ", dice." Tienen una extensa red de raíces en el suelo, están constantemente tomando muestras de agua subterránea, y tener una forma de autoalimentar el transporte de esa agua hacia las hojas ".

El laboratorio de Strano ha desarrollado previamente nanotubos de carbono que pueden usarse como sensores para detectar una amplia gama de moléculas. incluido el peróxido de hidrógeno, el explosivo TNT, y el gas nervioso sarín. Cuando la molécula objetivo se une a un polímero envuelto alrededor del nanotubo, altera la fluorescencia del tubo.

En el nuevo estudio, los investigadores incorporaron sensores para compuestos nitroaromáticos en las hojas de las plantas de espinaca. Usando una técnica llamada infusión vascular, que consiste en aplicar una solución de nanopartículas en el envés de la hoja, colocaron los sensores en una capa de hojas conocida como mesófilo, que es donde tiene lugar la mayor parte de la fotosíntesis.

También incorporaron nanotubos de carbono que emiten una señal fluorescente constante que sirve como referencia. Esto permite a los investigadores comparar las dos señales fluorescentes, lo que facilita la determinación de si el sensor de explosivos ha detectado algo. Si hay moléculas explosivas en el agua subterránea, la planta tarda unos 10 minutos en atraerlos hacia las hojas, donde se encuentran con el detector.

Para leer la señal, los investigadores iluminan la hoja con un láser, provocando que los nanotubos de la hoja emitan luz fluorescente en el infrarrojo cercano. Esto se puede detectar con una pequeña cámara de infrarrojos conectada a una Raspberry Pi, una computadora del tamaño de una tarjeta de crédito de $ 35 similar a la computadora dentro de un teléfono inteligente. La señal también podría detectarse con un teléfono inteligente quitando el filtro de infrarrojos que tienen la mayoría de los teléfonos con cámara. dicen los investigadores.

"Esta configuración podría reemplazarse por un teléfono celular y el tipo de cámara adecuado, "Dice Strano." Es solo el filtro de infrarrojos lo que le impedirá usar su teléfono celular ".

Usando esta configuración, los investigadores pueden captar una señal desde aproximadamente 1 metro de distancia de la planta, y ahora están trabajando para aumentar esa distancia.

"Gran cantidad de información"

En el estudio de nanobiónica de plantas de 2014, El laboratorio de Strano trabajó con una planta de laboratorio común conocida como Arabidopsis thaliana. Sin embargo, los investigadores querían utilizar plantas de espinaca comunes para el último estudio, para demostrar la versatilidad de esta técnica. "Puedes aplicar estas técnicas con cualquier planta viva, "Dice Strano.

Hasta aquí, los investigadores también han diseñado plantas de espinaca que pueden detectar la dopamina, que influye en el crecimiento de las raíces de las plantas, y ahora están trabajando en sensores adicionales, incluidos algunos que rastrean los productos químicos que utilizan las plantas para transmitir información dentro de sus propios tejidos.

"Las plantas son muy sensibles al medio ambiente, ", Dice Strano." Ellos saben que va a haber una sequía mucho antes que nosotros. Pueden detectar pequeños cambios en las propiedades del suelo y el potencial hídrico. Si aprovechamos esas vías de señalización química, hay una gran cantidad de información a la que acceder ".

Estos sensores también podrían ayudar a los botánicos a aprender más sobre el funcionamiento interno de las plantas. monitorear la salud de las plantas, y maximizar el rendimiento de compuestos raros sintetizados por plantas como el bígaro de Madagascar, que produce medicamentos utilizados para tratar el cáncer.

"Estos sensores brindan información en tiempo real de la planta. Es casi como si la planta nos hablara sobre el entorno en el que se encuentran, "Dice Wong." En el caso de la agricultura de precisión, tener dicha información puede afectar directamente el rendimiento y los márgenes ".