La espinaca ya no es solo un superalimento: al incorporar hojas con nanotubos de carbono, los ingenieros del MIT han transformado las plantas de espinacas en sensores que pueden detectar explosivos y transmitir de forma inalámbrica esa información a un dispositivo portátil similar a un teléfono inteligente.
Esta es una de las primeras demostraciones de ingeniería de sistemas electrónicos en plantas, un enfoque que los investigadores llaman "nanobiónica de plantas".
"El objetivo de la nanobiónica de la planta es introducir nanopartículas en la planta para darle funciones no nativas", dice Michael Strano, profesor de Ingeniería Química de Carbon P. Dubbs en el MIT y líder del equipo de investigación.
En este caso, las plantas fueron diseñadas para detectar compuestos químicos conocidos como nitroaromáticos, que a menudo se usan 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 la plantalas hojas emiten una señal fluorescente que se puede leer con una cámara infrarroja. La cámara se puede conectar a una computadora pequeña 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 el poder 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 graduado del MIT que comenzó una compañía llamada Plantea para desarrollar aún más esta tecnología.
Monitoreo ambiental
Hace dos años, en la primera demostración de nanobiónica de plantas, Strano y el ex postdoc MIT Juan Pablo Giraldo usaron nanopartículas para mejorar la capacidad de fotosíntesis de las plantas y convertirlas en sensores de óxido nítrico, un contaminante producido por la combustión.
Strano dice que las plantas son ideales para monitorear el medio ambiente porque ya absorben mucha información de su entorno.
"Las plantas son muy buenos químicos analíticos", dice. "Tienen una extensa red de raíces en el suelo, constantemente toman muestras del agua subterránea y tienen 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 TNT explosivo y el sarín gaseoso nervioso. 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 la parte inferior de la hoja, colocaron los sensores en una capa de la hojaconocido como el 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 de referencia. Esto permite a los investigadores comparar las dos señales fluorescentes, lo que facilita determinar si el sensor explosivo ha detectado algo. Si hay moléculas explosivas enEn el agua subterránea, la planta tarda unos 10 minutos en arrastrarlos hacia las hojas, donde se encuentran con el detector.
Para leer la señal, los investigadores arrojan un láser sobre la hoja, lo que provoca que los nanotubos en la hoja emitan luz fluorescente de infrarrojo cercano. Esto se puede detectar con una pequeña cámara infrarroja conectada a una Raspberry Pi, una tarjeta de crédito de $ 35de tamaño similar a la computadora dentro de un teléfono inteligente. La señal también podría detectarse con un teléfono inteligente al quitar el filtro infrarrojo que tienen la mayoría de los teléfonos con cámara, dicen los investigadores.
"Esta configuración podría ser reemplazada por un teléfono celular y el tipo correcto de cámara", dice Strano. "Es solo el filtro infrarrojo lo que le impedirá usar su teléfono celular".
Con esta configuración, los investigadores pueden captar una señal de aproximadamente 1 metro de la planta, y ahora están trabajando para aumentar esa distancia.
"Una 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 usar plantas de espinaca comunes para el último estudio, para demostrar la versatilidad de esta técnica ". Puede aplicar estostécnicas con cualquier planta viva ", dice Strano.
Hasta ahora, los investigadores también han diseñado plantas de espinacas que pueden detectar dopamina, lo 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 usan las plantas para transmitir información dentro de sus propios tejidos.
"Las plantas son muy sensibles al medio ambiente", dice Strano. "Saben que habrá una sequía mucho antes que nosotros. Pueden detectar pequeños cambios en las propiedades del suelo y el potencial hídrico. Si aprovechamos esas señales químicasvías, hay una gran cantidad de información para acceder ".
Estos sensores también podrían ayudar a los botánicos a aprender más sobre el funcionamiento interno de las plantas, controlar 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 hacer que la planta nos hable sobre el ambiente en el que se encuentran", dice Wong. "En el caso de la agricultura de precisión, tener esa información puede afectar directamente el rendimientoy márgenes "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :