Científicos de Tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP), un Grupo de Investigación Interdisciplinario (IRG) en la Alianza de Investigación y Tecnología de Singapur-MIT (SMART), 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, niveles del arsénico de metal pesado altamente tóxico en el ambiente 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, verduras, y hojas de té.

Este nuevo enfoque se describe en un artículo titulado, "Planta de sensores nanobiónicos para la detección de arsénico, "publicado recientemente en Materiales avanzados . El documento fue dirigido por el Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, un estudiante graduado reciente del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y coautor de Michael Strano, co-investigador principal principal de DiSTAP y profesor Carbon P. Dubbs en el MIT, así como Minkyung Park y Jianqiao Cui, ambos estudiantes de posgrado en el 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, incluyendo enfermedades cardiovasculares como infarto de miocardio, 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 perjudiciales para las plantas. inhibiendo el crecimiento y resultando en pérdidas sustanciales de cultivos. Más preocupante, los cultivos alimentarios pueden absorber arsénico del suelo, que lleva a la contaminación de los alimentos y productos consumidos por los seres humanos. El arsénico en ambientes subterráneos también puede contaminar el agua subterránea y otras fuentes de agua subterránea, cuyo consumo a largo plazo puede causar graves problemas de salud. Como tal, desarrollo preciso eficaz, y los sensores de arsénico fáciles de implementar son importantes para proteger tanto la industria agrícola como la seguridad ambiental en general.

Estos novedosos nanosensores ópticos desarrollados por SMART DiSTAP exhiben cambios en su intensidad de fluorescencia tras la detección de arsénico. Incrustado en tejidos vegetales sin efectos perjudiciales para 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 las plantas vivas permite la conversión de plantas en detectores autoamplificados de arsénico de su entorno natural. marcando una mejora significativa de los métodos de muestreo de arsénico que requieren mucho tiempo y equipo de los métodos convencionales actuales.

El autor principal, el Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, dijo:"Nuestro nanosensor basado en plantas es notable 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 medio subterráneo, requiriendo menos tiempo, equipo, y mano de obra. 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), ambos fueron fundamentales en la generación de ideas, discusión científica, así como financiación de la investigación para este trabajo ".

Además de detectar arsénico en arroz y espinacas, 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:la ingeniería de un detector de arsénico ultrasensible a base de plantas, capaz de detectar concentraciones muy bajas de arsénico, tan bajo como 0,2 partes por mil millones (ppb). A diferencia de, el límite reglamentario para los detectores de arsénico es de 10 partes por mil millones. Notablemente, Los nuevos nanosensores también se pueden integrar en otras especies de plantas. Esta es la primera demostración exitosa de sensores de arsénico basados ​​en plantas vivas y representa un avance innovador que podría resultar muy útil tanto en la investigación agrícola (por ejemplo, para monitorear el arsénico absorbido por cultivos comestibles para la seguridad alimentaria), así como en la vigilancia ambiental en general.

Previamente, Los métodos convencionales para medir los niveles de arsénico incluían muestreos regulares de campo, digestión de tejidos vegetales, extracción y análisis mediante espectrometría de masas. Estos métodos requieren mucho tiempo, requieren un tratamiento de muestra extenso, ya menudo implican el uso de instrumentación voluminosa y costosa. El nuevo método de SMART DiSTAP de acoplar sensores de nanopartículas con la capacidad natural de las plantas para extraer analitos de manera eficiente a través de las raíces y transportarlos permite la detección de la absorción de arsénico en plantas vivas en tiempo real con dispositivos portátiles, electrónica barata, como una plataforma portátil Raspberry Pi equipada con una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD), similar a la cámara de un teléfono inteligente.

Coautor, Investigador principal co-líder de DiSTAP, y el profesor del MIT Michael Strano agregó:"Este es un desarrollo tremendamente emocionante, como, por primera vez, Hemos desarrollado un sensor nanobiónico que puede detectar arsénico, un contaminante ambiental grave y una amenaza potencial 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 ahorra más tiempo, sino que también es 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, constantemente innovando y desarrollando nuevas capacidades tecnológicas para mejorar la calidad y seguridad de los alimentos de Singapur ".