В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Nanotechnology, исследователи разработали способ получения большого количества этих полых шелковых микроигл. Они использовали их для внесения агрохимикатов и питательных веществ в растения, а также для контроля за их здоровьем.

"Существует большая потребность сделать сельское хозяйство более эффективным", - говорит Бенедетто Марелли, старший автор исследования и доцент кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды Массачусетского технологического института. "Агрохимикаты важны для поддержания нашей продовольственной системы, но они также дороги и оказывают побочное воздействие на окружающую среду, поэтому существует большая необходимость в их точной доставке".

Юнтенг Цао, 22-летний доктор философии, в настоящее время постдок Йельского университета, и Дойун Ким, бывший постдок лаборатории Марелли, руководили исследованием, которое включало сотрудничество с междисциплинарной исследовательской группой "Прорывные и устойчивые технологии для точного земледелия" (DiSTAP) при Сингапурско-Массачусетском технологическом альянсе по исследованиям и технологиям (SMART)..

В ходе демонстраций команда использовала этот метод, чтобы дать растениям железо для лечения заболевания, известного как хлороз, и добавить витамин В12 к растениям томатов, чтобы сделать их более питательными. Исследователи также показали, что микроиглы можно использовать для мониторинга качества жидкостей, поступающих в растения, и для определения содержания тяжелых металлов в окружающей почве.

В целом, исследователи полагают, что микроиглы могли бы служить новым видом интерфейса для растений для мониторинга состояния здоровья в режиме реального времени и биофортификации.

"Эти микроиглы могли бы стать инструментом для ученых-растениеводов, чтобы они могли больше понять о здоровье растений и о том, как они растут", - говорит Марелли. "Но они также могут быть использованы для повышения ценности сельскохозяйственных культур, делая их более устойчивыми и, возможно, даже повышая урожайность".

Внутренняя работа растений

Доступ к внутренним тканям живых растений требует от ученых проникновения через восковую оболочку растений, не вызывая слишком сильного стресса. В предыдущей работе исследователи использовали микроиглы на основе шелка для доставки агрохимикатов к растениям в лабораторных условиях и для обнаружения изменений рН у живых растений. Но эти первоначальные усилия были связаны с небольшой полезной нагрузкой, что ограничивало их применение в коммерческом сельском хозяйстве.

"Микроиглы изначально были разработаны для доставки вакцин или других лекарств людям", - объясняет Марелли. "Теперь мы адаптировали ее таким образом, чтобы технология могла работать с растениями, но изначально мы не могли обеспечить достаточные дозы агрохимикатов и питательных веществ, чтобы смягчить стрессовые факторы или повысить питательную ценность урожая".

Полые структуры могли бы увеличить количество химических веществ, которые могут доставлять микроиглы, но Марелли говорит, что для создания таких структур в больших масштабах исторически требовались чистые помещения и дорогостоящее оборудование, подобное тому, что находится внутри здания MIT.nano.

Для этого исследования Цао и Ким разработали новый способ изготовления полых микроигл из шелка, объединив белок фиброина шелка с соленым раствором внутри крошечных конусообразных формочек. По мере испарения воды из раствора шелк затвердевал в форме, в то время как соль образовывала кристаллические структуры внутри форм. Когда соль удалялась, в каждой игле оставалась полая структура или крошечные поры, в зависимости от концентрации соли и разделения органической и неорганической фаз.

"Это довольно простой процесс изготовления. Это можно сделать за пределами чистой комнаты - вы могли бы сделать это на своей кухне, если бы захотели", - говорит Ким. "Для этого не требуется никакого дорогостоящего оборудования".

Затем исследователи проверили способность своих микроигл доставлять железо к растениям томатов с дефицитом железа, что может вызвать заболевание, известное как хлороз. Хлороз может снизить урожайность, но лечение его путем опрыскивания посевов неэффективно и может иметь побочные эффекты для окружающей среды. Исследователи показали, что их полые микроиглы можно использовать для длительной доставки железа без вреда для растений.

Исследователи также показали, что их микроиглы можно использовать для подкормки сельскохозяйственных культур во время их роста. Исторически усилия по обогащению урожая были сосредоточены на таких минералах, как цинк или железо, а витамины добавлялись только после сбора урожая.

В каждом случае исследователи наносили микроиглы на стебли растений вручную, но Марелли предполагает оснастить автономные транспортные средства и другое оборудование, уже используемое на фермах, для автоматизации и масштабирования процесса.

В рамках исследования исследователи использовали микроиглы для доставки витамина В12, который в основном содержится в продуктах животного происхождения, в стебли растущих томатов, показывая, что витамин В12 попадает в плоды томатов перед сбором урожая. Исследователи предполагают, что их метод можно было бы использовать для обогащения большего количества растений этим витамином.

Соавтор Дайсуке Урано, специалист по растениям из DiSTAP, объясняет, что "благодаря всесторонней оценке мы выявили минимальные побочные эффекты от инъекций микроигл в растения, при этом не наблюдалось краткосрочных или долгосрочных негативных воздействий".

"Этот новый механизм доставки открывает множество потенциальных применений, поэтому мы хотели сделать то, чего раньше никто не делал", - объясняет Марелли.

Наконец, исследователи изучили возможность использования своих микроигл для мониторинга здоровья растений, изучая помидоры, выращиваемые в гидропонных растворах, загрязненных кадмием, токсичным металлом, который обычно встречается на фермах вблизи промышленных объектов и горнодобывающей промышленности. Они показали, что их микроиглы поглощают токсин в течение 15 минут после введения в плодоножки томатов, что открывает путь к быстрому обнаружению.

Современные передовые методы мониторинга состояния растений, такие как колориметрический и гиперспектральный анализ свинца, позволяют выявить проблемы только после того, как рост растений уже замедлился. Другие методы, такие как отбор проб сока, могут быть слишком трудоемкими.

Микроиглы, напротив, можно было бы использовать для более легкого сбора сока для текущего химического анализа. Например, исследователи показали, что они могут контролировать уровень кадмия в помидорах в течение 18 часов.

Новая платформа для ведения сельского хозяйства

Исследователи полагают, что микроиглы можно было бы использовать в дополнение к существующим сельскохозяйственным методам, таким как опрыскивание. Исследователи также отмечают, что технология имеет применение не только в сельском хозяйстве, например, в биомедицинской инженерии.

"Эта новая технология изготовления полимерных микроигл может также принести пользу исследованиям в области трансдермальной и внутрикожной доставки лекарств с помощью микроигл и мониторинга состояния здоровья", - говорит Цао.

Однако на данный момент Марелли считает, что микроиглы открывают путь к более точным и устойчивым методам ведения сельского хозяйства.

"Мы хотим максимально увеличить рост растений, не оказывая негативного влияния на здоровье фермы или биоразнообразие окружающих экосистем", - говорит Марелли. "Не должно быть компромисса между сельским хозяйством и охраной окружающей среды. Они должны работать вместе".

Эта работа была частично поддержана Управлением военно-морских исследований США, Национальным научным фондом США, SMART, Национальным исследовательским фондом Сингапура и Канцелярией премьер-министра Сингапура.