Инженеры разработали систему прецизионных инъекций для растений
Пока человечество борется с одной пандемией, несколько продолжающихся эпидемий угрожают сельскохозяйственным культурам и глобальному производству продуктов питания. Апельсины, оливы и бананы уже находятся под угрозой во многих регионах из-за болезней, поражающих сосудистую систему растений, которые невозможно вылечить применением пестицидов.
Новый метод, разработанный инженерами MIT, может стать отправной точкой для доставки жизненно важных препаратов растениям, опустошаемым такими болезнями.
Эти заболевания трудно обнаружить на ранней стадии и лечить из-за отсутствия точных инструментов для доступа к сосудистой системе растений с целью лечения патогенов и отбора проб биомаркеров. Команда MIT решила взять некоторые принципы прецизионной медицины для людей и адаптировать их для разработки специфичных для растений биоматериалов и устройств доставки лекарств.
Метод использует массив микроножей из биоматериала на основе шелка для доставки питательных веществ, лекарств или других молекул в определенные части растения. Результаты описаны в журнале Advanced Science в статье профессоров MIT Бенедетто Марелли и Цзин-Кэ-Вэна, аспиранта Юнтенга Цао, постдока Юджина Лима в MIT и постдока Мэнлуна Сюй в Институте биомедицинских исследований Уайтхеда.
Микроножи, которые исследователи называют фитоинжекторами, могут быть изготовлены различных размеров и форм и могут доставлять материал конкретно в корни, стебли или листья растения, либо в его ксилему (сосудистую ткань, участвующую в транспорте воды от корней к кроне) или флоэму (сосудистую ткань, которая циркулирует метаболиты по всему растению). В лабораторных тестах команда использовала растения томата и табака, но система может быть адаптирована практически для любой культуры. Микроножи могут не только доставлять целевые полезные нагрузки молекул в растение, но и использоваться для забора образцов из растений для лабораторного анализа.
Работа началась в ответ на запрос Министерства сельского хозяйства США о предложениях по борьбе с позеленением цитрусовых (citrus greening), которое угрожает краху индустрии стоимостью $9 млрд, говорит Марелли. Болезнь распространяется насекомым — азиатской цитрусовой листоблошкой, которая переносит бактерию в растение. Лечения пока не существует, и миллионы акров американских садов уже опустошены. В ответ лаборатория Марелли приступила к разработке новой технологии микроножей под руководством Цао в рамках его диссертационного проекта.
Болезнь поражает флоэму всего растения, включая корни, до которых очень трудно добраться с помощью любого обычного лечения, объясняет Марелли. Большинство пестицидов просто распыляют или наносят на листья или стебли растения, и мало что проникает в корневую систему. Такое лечение может казаться эффективным на короткое время, но затем бактерии возвращаются и наносят ущерб. Необходимо средство, способное воздействовать на флоэму, циркулирующую в тканях растения, которая могла бы доставить антибактериальное соединение вниз к корням. Именно это потенциально может сделать новая версия микроножей.
«Мы хотели решить техническую проблему того, как можно получить точный доступ к сосудистой системе растения», — добавляет Цао. Это позволило бы исследователям, например, вводить пестициды, которые будут транспортироваться между корневой системой и листьями. Современные подходы используют «иглы, которые очень велики и инвазивны, что приводит к повреждению растения», — говорит он. Чтобы найти замену, они опирались на предыдущую работу по созданию микроножей из материала на основе шелка для инъекций человеческих вакцин.
«Мы обнаружили, что адаптация материала, разработанного для доставки лекарств людям, к растениям была не такой простой из-за различий не только в сосудистой системе тканей, но и в составе жидкостей», — говорит Лим. Микроножи, разработанные для использования человеком, были предназначены для естественного биораспада во влаге тела, но у растений доступной воды гораздо меньше, поэтому материал не растворялся и не был полезен для доставки пестицида или других макромолекул во флоэму. Исследователям пришлось разработать новый материал, но они решили сохранить шелк в качестве основы. Это связано с прочностью шелка, его инертностью в растениях (предотвращение нежелательных побочных эффектов) и тем, что он распадается на крошечные частицы, не рискуя засорить внутренние сосудистые системы растения.
Они использовали инструменты биотехнологии, чтобы увеличить гидрофильность шелка (заставить его притягивать воду), сохраняя при этом материал достаточно прочным, чтобы проникнуть в эпидермис растения, и достаточно разлагаемым, чтобы затем уйти с пути.
Действительно, они протестировали материал на своих лабораторных растениях томата и табака и смогли наблюдать, как введенные материалы, в данном случае флуоресцентные молекулы, перемещаются по всему растению, от корней до листьев.
«Мы считаем, что это новый инструмент, который могут использовать биологи растений и биоинженеры, чтобы лучше понять транспортные явления в растениях», — говорит Цао. Кроме того, его можно использовать «для доставки полезных нагрузок в растения, и это может решить несколько проблем. Например, можно подумать о доставке микроэлементов или генов, чтобы изменить экспрессию генов растения или, по сути, сконструировать растение».
«Теперь интересы лаборатории в отношении фитоинжекторов расширились за пределы доставки антибиотиков до генной инженерии и диагностики у постели больного», — добавляет Лим.
Например, в своих экспериментах с растениями табака они смогли ввести организм под названием Agrobacterium, чтобы изменить ДНК растения — типичный инструмент биоинженерии, но доставленный новым и точным способом.
Пока это лабораторная методика, использующая прецизионное оборудование, поэтому в ее нынешнем виде она не будет полезна для применения в сельском хозяйстве в больших масштабах, но есть надежда, что ее можно будет использовать, например, для биоинженерии устойчивых к болезням сортов важных сельскохозяйственных культур. Команда также провела тесты с использованием модифицированного игрушечного дротика, установленного на небольшом дроне, который смог выстрелить микроножами в растения в полевых условиях. В конечном итоге такой процесс может быть автоматизирован с использованием автономных транспортных средств для применения в сельском хозяйстве в больших масштабах, говорит Марелли.
Тем временем команда продолжает работать над адаптацией системы к разнообразным потребностям и условиям различных видов растений и их тканей. «Между ними много различий, действительно», — говорит Марелли, поэтому нужно думать об устройствах, специфичных для растений. «В будущем наши исследовательские интересы выйдут за рамки доставки антибиотиков к генной инженерии и диагностике у постели больного на основе отбора проб метаболитов».