Co by było, gdybyśmy mieli szczepionki dla upraw polowych? Wyobraź sobie świat, w którym roboty w gospodarstwie mogą dostarczać małe zastrzyki do każdej rośliny, uodparniając uprawy na najnowsze choroby lub szalejące szkodniki. Możliwe jest również zaszczepienie rosnących owoców, warzyw, ziół i przypraw jako szybki sposób na wysłanie składników odżywczych prosto do źródła.

W ten sposób grupa naukowców i inżynierów zajmujących się biomateriałami wyobraża sobie przyszłość upraw po opracowaniu pierwszej techniki dostarczania leków roślinom opartej na mikroigłach. Ich artykuł, opublikowany w czasopiśmie Zaawansowane materiały, szczegółowo opisuje, w jaki sposób byli w stanie dostarczyć małe związki do szerokiej gamy roślin i monitorować reakcję roślin poprzez wstrzyknięcie biomateriału.

Przez około półtora roku naukowcy z Singapuru i Cambridge w stanie Massachusetts testowali igły za pomocą GA3, a regulator wzrostu roślin popularne w rolnictwie. Dzięki analizie genetycznej grupa była w stanie dokładnie zbadać reakcję pomidorów, sałaty, szpinaku, ryżu, kukurydzy, jęczmienia i soi oraz potwierdzić skuteczność metody, zauważając, że skutkowała ona minimalnym tworzeniem się blizn i kalusów.

Benedetto Marelli, współautor artykułu i Aprofesor nadzwyczajny w Massachusetts Institute of Technology, mówi, że badania nad technologią mikroigieł były motywowane chęcią zaoferowania rolnikom alternatywy dla oprysków, która jest bardziej zrównoważona i przyjazna dla środowiska.

„Istnieje coraz większa presja na sektor rolnictwa, aby dostosować się i zachować odporność na realia zmian klimatycznych” – mówi Marelli. „Gdy weźmiemy pod uwagę obecną opcję oprysków, jest ona skalowalna, ale może być szkodliwa dla rolnika i środowiska poprzez wysyłanie cząstek do powietrza lub przenikanie do gleby, przedostawanie się do warstwy wodonośnej, a następnie odprowadzanie do strumienia wody”.

Według Marelli, gdy stosowane są spraye, około 50 do 90 procent aplikacji trafia do powietrza lub gleby lub nie zostaje w pełni wchłonięte przez tkankę roślinną. Mówi, że technologia ta jest tak obiecująca, ponieważ oferuje precyzyjny i usprawniony sposób dostarczania substancji poprzez bezpośrednie ukierunkowanie na tkankę roślinną. A ponieważ igły są wykonane z jedwabiu, są biodegradowalne.

„Minimalizujesz ilość odpadów” — mówi Marelli.

Chociaż wynalazek jest zasadniczo szczepionką roślinną, te igły nie przypominają strzykawek używanych w gabinecie lekarskim. Aby je stworzyć, Marelli i jego zespół zmieszali funkcjonalne związki (w tym przypadku GA3) w roztwór fibroiny jedwabiu. Następnie mieszaninę wlano do formy w celu wysuszenia i uformowania igieł. Naukowcy użyli pęsety, aby chwycić igły i wbić je w tkankę roślinną, aby uwolnić związek bezpośrednio w roślinie.

Yunteng Cao, pierwszy autor artykułu i badacz ze stopniem doktora w MIT, mówi istnieje wiele sposobów, w jakie technologia może wywrzeć pozytywny wpływ, ale Cao postrzega mikroigły jako szczególnie obiecujące rozwiązanie choroby zazieleniania cytrusów, która zdziesiątkowała przemysł pomarańczowy, szczególnie na Florydzie. A badanie 2020 szacuje, że szkody spowodowane chorobą wyniosły ponad 1 miliard dolarów rocznych strat w dochodach i 5000 miejsc pracy utraconych każdego roku w słonecznym stanie.

Przykład choroby zazieleniania cytrusów na drzewie pomarańczowym. (Zdjęcie: Shutterstock)

Obecnie nie ma lekarstwa na tę chorobę, a wykazano, że opryskiwanie drzew antybiotykiem w dużej mierze nieskuteczne ponieważ tak mało leku jest wchłaniane do systemu rośliny.

„Postrzegam to jako narzędzie, które pomoże zapewnić światu większe bezpieczeństwo żywnościowe i zapewnić, że będziemy mogli nadal uprawiać żywność w przyszłości”, mówi Cao. „Myślę, że możemy mieć nadzieję i podekscytowanie tym, jaki znaczący wpływ może mieć nasza praca”.

Naukowcy twierdzą, że mikroigły mogą być również wykorzystywane do projektowania nowych cech upraw, oprócz podawania leków lub innych środków.

Ich proces rozwijania projektu będzie obejmować próby na różnych roślinach i na różnych etapach ich cyklu życiowego. Będą również starali się pozyskać partnerów biznesowych, którzy mogliby być zainteresowani wyprodukowaniem technologii i wprowadzeniem jej do przestrzeni komercyjnej.

Mając na uwadze te kroki, naukowcy twierdzą, że byliby szczęśliwi, gdyby technologia była dostępna dla rolników w ciągu najbliższych siedmiu lat.