Los investigadores de SMART diseñan un sensor vegetal para monitorear los niveles de arsénico en el suelo.

Dispositivos a nanoescala integrados en las hojas de las plantas vivas pueden detectar el metal pesado tóxico en tiempo real.Un novedoso tipo de sensor óptico nanobiónico de planta puede detectar y monitorear, en tiempo real, los niveles de arsénico en el ambiente subterráneo.
Linda Zahka-Stockdale
Créditos: Foto: Singapore-MIT Alliance for Research and Technology;Christine Daniloff, MIT

Los científicos del grupo de investigación sobre tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) de la Alianza para la Investigación y la Tecnología (SMART) de Singapur, empresa de investigación del MIT en Singapur, han diseñado un novedoso tipo de sensor óptico nanobiónico de planta que puede detectar y vigilar, en tiempo real, los niveles del metal pesado altamente tóxico arsénico en el medio ambiente subterráneo. Esta novedad ofrece ventajas significativas con respecto a los métodos convencionales utilizados para medir el arsénico en el medio ambiente y será importante tanto para la vigilancia del medio ambiente como para las aplicaciones agrícolas destinadas a 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 documento titulado «Plant Nanobionic Sensors for Arsenic Detection», publicado recientemente en Advanced Materials. El documento fue dirigido por Tedrick Thomas Salim Lew, un estudiante recién graduado del MIT, y del que es coautor Michael Strano, investigador principal adjunto de la DiSTAP y el Profesor de Carbono P. Dubbs del MIT, así como Minkyung Park y Jianqiao Cui, ambos estudiantes graduados en el MIT.

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

Los cultivos alimentarios pueden absorber el arsénico del suelo, lo que da lugar a la contaminación de los alimentos y productos consumidos por los seres humanos. El arsénico en los entornos subterráneos también puede contaminar las aguas subterráneas y otras fuentes de agua subterránea, cuyo consumo a largo plazo puede causar graves problemas de salud. Por ello, el desarrollo de sensores de arsénico precisos, eficaces y fáciles de instalar es importante para proteger tanto la industria agrícola como la seguridad ambiental en general.

Los nuevos nanosensores ópticos muestran cambios en su intensidad de fluorescencia al detectar el arsénico. Incrustados en los tejidos de las plantas, sin efectos perjudiciales para las mismas, estos sensores proporcionan una forma no destructiva de vigilar la dinámica interna del arsénico que las plantas toman del suelo. Esta integración de nanosensores ópticos dentro de las plantas vivas permite la conversión de las plantas en detectores autoalimentados de arsénico de su entorno natural, lo que supone 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 de base vegetal se destaca no sólo 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, que requieren menos tiempo, equipo y mano de obra», dice Lew. «Prevemos que esta innovación se utilizará ampliamente en la industria agrícola y más allá. Estoy agradecido a SMART DiSTAP y al Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek (TLL), que fueron fundamentales para la generación de ideas y el debate científico, así como para la financiación de la investigación de este trabajo».

Además de detectar arsénico en el arroz y las espinacas, el equipo también utilizó una especie de helecho, Pteris cretica, que puede hiperacumular arsénico. Esta especie de helecho puede absorber y tolerar altos niveles de arsénico sin ningún efecto perjudicial, diseñando un detector de arsénico de base vegetal ultrasensible, capaz de detectar concentraciones muy bajas de arsénico, tan bajas como 0,2 partes por billón. En cambio, el límite reglamentario para los detectores de arsénico es de 10 partes por billón. Cabe destacar que los nuevos nanosensores también pueden integrarse en otras especies de plantas. Los investigadores dicen que ésta 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 vigilar la absorción de arsénico por los cultivos comestibles para la seguridad alimentaria) como en la vigilancia general del medio ambiente.

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Los nuevos nanosensores ópticos incrustados en los tejidos de las plantas exhiben cambios en su intensidad de fluorescencia al detectar arsénico.

El coautor, el investigador principal codirector de la DiSTAP y el profesor del MIT Michael Strano añade: «Se trata de un desarrollo enormemente emocionante, ya que, por primera vez, hemos desarrollado un sensor nanobiónico que puede detectar el arsénico, un grave contaminante medioambiental y una posible amenaza para la salud pública. Con sus innumerables ventajas sobre los métodos más antiguos de detección de arsénico, este novedoso sensor podría cambiar las cosas, ya que no sólo es más eficiente en cuanto al tiempo, sino que también es más preciso y más fácil de utilizar que los métodos más antiguos. También ayudará a los científicos especializados en plantas de organizaciones como TLL a seguir produciendo cultivos que resistan la absorción de elementos tóxicos. Inspirada en los recientes esfuerzos de TLL por crear cultivos de arroz que absorban menos arsénico, esta labor es un esfuerzo paralelo para seguir apoyando los esfuerzos de SMART DiSTAP en la investigación de la seguridad alimentaria, innovando y desarrollando constantemente nuevas capacidades tecnológicas para mejorar la calidad e inocuidad de los alimentos de Singapur».

La investigación es llevada a cabo por SMART y apoyada por 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 profesor Chua Nam Hai, investigador principal codirector del MIT en Strano y Singapur, DiSTAP es uno de los cinco Grupos de Investigación Interdisciplinaria (IRG) de SMART. El programa DiSTAP aborda problemas profundos de la producción de alimentos en Singapur y en el mundo mediante el desarrollo de un conjunto de tecnologías analíticas genéticas y biosintéticas impactantes y novedosas. El objetivo es cambiar fundamentalmente la forma en que se descubren, supervisan, diseñan y, en última instancia, traducen las vías biosintéticas de las plantas para satisfacer la demanda mundial de alimentos y nutrientes. Científicos del MIT, el TTL, la Universidad Tecnológica de Nanyang y la Universidad Nacional de Singapur están elaborando en colaboración nuevos instrumentos para la medición continua de importantes metabolitos y hormonas de las plantas con miras al descubrimiento novedoso, la comprensión más profunda y el control de las vías de biosíntesis de las plantas en formas que aún no son posibles, especialmente en el contexto de las hortalizas de hoja verde; Aprovechar estas nuevas técnicas para diseñar plantas con propiedades muy deseables para la seguridad alimentaria mundial, incluida la producción de alta densidad de rendimiento, la resistencia a la sequía y a los patógenos y la biosíntesis de productos comerciales de alto valor; desarrollar instrumentos para producir componentes alimentarios hidrófobos en microbios pertinentes a la industria; desarrollar nuevas tecnologías microbianas y enzimáticas para producir compuestos orgánicos volátiles que puedan proteger y/o promover el crecimiento de las hortalizas de hoja verde; y aplicar estas tecnologías para mejorar la agricultura urbana.

SMART fue fundada por el MIT en asociación con el NRF en 2007 y es la primera entidad en CREAR. SMART sirve de 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 Antimicrobiana, Análisis Crítico para la Fabricación de Medicamentos Personalizados, DiSTAP, Futura Movilidad Urbana y Sistemas Electrónicos de Bajo Consumo.

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