Sensore nanobionico per monitorare l'arsenico nel suolo

Per la prima volta, i ricercatori di SMART hanno progettato un sensore vegetale vivente per il rilevamento dell'arsenico nell'ambiente sotterraneo.

Scienziati di Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), (1) un gruppo di ricerca interdisciplinare (IRG) presso Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), (2) l'impresa di ricerca del MIT a Singapore, hanno progettato un nuovo tipo di sensore ottico nanobionico vegetale in grado di rilevare e monitorare, in tempo reale, i livelli di arsenico di metalli pesanti altamente tossici nell'ambiente sotterraneo. Questo sviluppo offre vantaggi significativi rispetto ai metodi convenzionali utilizzati per misurare l'arsenico nell'ambiente e sarà importante sia per il monitoraggio ambientale che per le applicazioni agricole per salvaguardare la sicurezza alimentare, poiché l'arsenico è un contaminante in molti prodotti agricoli comuni come riso, verdure e foglie di tè.

• Una nuova classe di sensori basati su piante viventi interfaccia le piante selvatiche con nanosensori ottici ingegnerizzati, in grado di rilevare livelli di arsenico fino a 0,2 parti per miliardo
• L'arsenico è un metallo pesante altamente tossico per l'uomo e per l'ecosistema: alcuni si stima che l'arsenico inorganico nel riso porti a 50.000 morti premature all'anno
• Questo nuovo approccio può essere utilizzato per monitorare l'assorbimento di arsenico in qualsiasi pianta, nonché per convertire qualsiasi pianta non geneticamente modificata in un sensore ambientale per monitorare i livelli di arsenico nel suolo, consentendo applicazioni nella ricerca agricola e nel monitoraggio ambientale
• Le letture di questi nuovi nanosensori possono essere ottenute rapidamente tramite dispositivi elettronici portatili ed economici come piattaforme basate su Raspberry Pi

Questo nuovo approccio è descritto in un documento intitolato “Plant Nanobionic Sensors for Arsenic Detection”, pubblicato di recente su Advanced Materials. (3) La stesura del documento è stata curata dal dottor Tedrick Thomas Salim Lew, un neolaureato del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e co-autore di Michael Strano, co-capo investigatore principale di DiSTAP e Carbon P. Dubbs Professor al MIT, pure come Minkyung Park e Jianqiao Cui, entrambi studenti laureati al MIT.

L'arsenico e i suoi composti rappresentano una seria minaccia per gli esseri umani e gli ecosistemi. L'esposizione a lungo termine all'arsenico negli esseri umani può causare una vasta gamma di effetti nocivi sulla salute, comprese malattie cardiovascolari come infarto, diabete, difetti alla nascita, gravi lesioni cutanee e numerosi tumori compresi quelli della pelle, della vescica e del polmone. (4) Livelli elevati di arsenico nel suolo a seguito di attività antropiche come l'estrazione mineraria e la fusione sono anche dannosi per le piante, inibendo la crescita e provocando notevoli perdite di raccolto. Ancora più preoccupante, le colture alimentari possono assorbire l'arsenico dal suolo, portando alla contaminazione del cibo e dei prodotti consumati dagli esseri umani. L'arsenico negli ambienti sotterranei può anche contaminare le acque sotterranee e altre fonti d'acqua sotterranee, il cui consumo a lungo termine può causare gravi problemi di salute. Pertanto, lo sviluppo di sensori di arsenico precisi, efficaci e facili da implementare è importante per proteggere sia l'industria agricola che la più ampia sicurezza ambientale.

Questi nuovi nanosensori ottici sviluppati da SMART DiSTAP mostrano cambiamenti nella loro intensità di fluorescenza al rilevamento dell'arsenico. Incorporati nei tessuti vegetali senza effetti dannosi sulla pianta, questi sensori forniscono un modo non distruttivo per monitorare le dinamiche interne dell'arsenico assorbito dalle piante dal suolo. Questa integrazione di nanosensori ottici all'interno di piante viventi consente la conversione delle piante in rilevatori autoalimentati di arsenico dal loro ambiente naturale, segnando un significativo miglioramento rispetto ai metodi di campionamento dell'arsenico ad alta intensità di tempo e di apparecchiature degli attuali metodi convenzionali.

L'autore principale, il dottor Tedrick Thomas Salim Lew, (5) del Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, ha dichiarato: «Il nostro nanosensore a base vegetale è degno di nota non solo per essere il primo del suo genere, ma anche per i vantaggi significativi che conferisce rispetto ai metodi convenzionali di misurazione dei livelli di arsenico nell'ambiente sotterraneo, che richiedono meno tempo, attrezzature e manodopera. Prevediamo che questa innovazione vedrà alla fine un ampio utilizzo nel settore agricolo e oltre. Sono grato a SMART DiSTAP e Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), che sono stati entrambi determinanti nell'attuazione di nuovi spunti scientifici, discussioni scientifiche e del finanziamento della ricerca per questo lavoro».

Oltre a rilevare l'arsenico nel riso e negli spinaci, il team ha utilizzato anche una specie di felce, la Pteris cretica, (6) che può iperaccumulare l'arsenico. Questa specie di felce può assorbire e tollerare alti livelli di arsenico senza alcun effetto dannoso - progettando un rilevatore di arsenico vegetale ultrasensibile, in grado di rilevare concentrazioni molto basse di arsenico, fino a 0,2 parti per miliardo (ppb). Al contrario, il limite regolamentare per i rilevatori di arsenico è di 10 parti per miliardo. In particolare, i nuovi nanosensori possono essere integrati anche in altre specie di piante. Questa è la prima valida dimostrazione di sensori vegetali viventi per l'arsenico e rappresenta un progresso rivoluzionario che potrebbe rivelarsi molto utile sia nella ricerca agricola (ad esempio per monitorare l'arsenico assorbito dalle colture commestibili per la sicurezza alimentare), sia nel monitoraggio ambientale generale.

In precedenza, i metodi convenzionali per misurare i livelli di arsenico includevano il campionamento regolare sul campo, la digestione dei tessuti vegetali, l'estrazione e l'analisi utilizzando la spettrometria di massa. Questi metodi richiedono molto tempo e un ampio trattamento del campione. Spesso comportano l'uso di strumentazione ingombrante e costosa. Il nuovo metodo di SMART DiSTAP per accoppiare sensori di nanoparticelle con la capacità naturale delle piante di estrarre in modo efficiente gli analiti attraverso le radici e trasportarli consente il rilevamento dell'assorbimento di arsenico nelle piante viventi in tempo reale con dispositivi elettronici portatili ed economici, come una piattaforma portatile Raspberry Pi dotata di una fotocamera CCD (Charge-Coupled Device), simile alla fotocamera di uno smartphone.

Il co-autore, il ricercatore principale di DiSTAP e il professor Michael S. Strano (7) del MIT ha aggiunto: «Questo è uno sviluppo estremamente entusiasmante, poiché, per la prima volta, abbiamo sviluppato un sensore nanobionico in grado di rilevare l'arsenico, un grave contaminante ambientale e potenziale minaccia per la salute pubblica. Con la sua miriade di vantaggi rispetto ai vecchi metodi di rilevamento dell'arsenico, questo nuovo sensore potrebbe cambiare le regole del gioco, poiché non solo è più efficiente in termini di tempo, ma anche più preciso e facile da implementare rispetto ai metodi precedenti. Aiuterà anche scienziati delle piante in organizzazioni come TLL per produrre ulteriormente colture che resistono all'assorbimento di elementi tossici. Ispirato dai recenti sforzi di TLL per creare colture di riso che assorbono meno arsenico, questo lavoro è uno sforzo parallelo per supportare ulteriormente gli sforzi di SMART DiSTAP nella ricerca sulla sicurezza alimentare, innovare costantemente e sviluppare nuove capacità tecnologiche per migliorare la qualità e la sicurezza alimentare di Singapore».

La ricerca è condotta da SMART e supportata dalla National Research Foundation (NRF) Singapore nell'ambito del suo programma Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).

Informazioni su SMART Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP)

DiSTAP è uno dei cinque gruppi di ricerca interdisciplinare (IRG) della Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Il programma DiSTAP affronta problemi profondi nella produzione alimentare a Singapore e nel mondo sviluppando una suite di nuove tecnologie analitiche, genetiche e biosintetiche di grande impatto. L'obiettivo è cambiare radicalmente il modo in cui i percorsi biosintetici delle piante vengono scoperti, monitorati, progettati e infine tradotti per soddisfare la domanda globale di cibo e sostanze nutritive. Scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), Nanyang Technological University (NTU) e National University of Singapore (NUS) stanno collaborando: sviluppano nuovi strumenti per la misurazione continua di importanti metaboliti vegetali e ormoni per nuove scoperte, comprensione più approfondita e controllo dei percorsi biosintetici delle piante in modi non ancora possibili, soprattutto nel contesto delle verdure a foglia verde; sfruttare queste nuove tecniche per progettare piante con proprietà altamente desiderabili per la sicurezza alimentare globale, compresa la produzione ad alta densità di resa, la resistenza alla siccità e ai patogeni e la biosintesi di prodotti commerciali di alto valore; lo sviluppo di strumenti per la produzione di componenti alimentari idrofobici in microbi rilevanti per l'industria; sviluppo di nuove tecnologie microbiche ed enzimatiche per produrre composti organici volatili in grado di proteggere e / o promuovere la crescita di ortaggi a foglia; e applicare queste tecnologie per migliorare l'agricoltura urbana.

Il DiSTAP IRG allo SMART è guidato dal professor Michael Strano, co-responsabile del Principal Investigator del MIT e dal professor Chua Nam Hai, co-lead dell'investigatore principale di Singapore.

Informazioni su Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART)

Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) è l'impresa di ricerca del MIT a Singapore, fondata dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) in collaborazione con la National Research Foundation di Singapore (NRF) dal 2007. SMART è la prima entità nel Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) sviluppato da NRF. SMART funge da hub intellettuale e di innovazione per le interazioni di ricerca tra MIT e Singapore. Alla SMART vengono intrapresi progetti di ricerca all'avanguardia in aree di interesse sia per Singapore che per il MIT. SMART attualmente comprende un centro di innovazione e sei gruppi di ricerca interdisciplinare (IRG): resistenza antimicrobica (AMR), BioSystems and Micromechanics (BioSyM), Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP), Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), Future Urban Mobility (FM) e Low Energy Electronic Systems (LEES). La ricerca SMART è finanziata dalla National Research Foundation Singapore nell'ambito del programma CREATE.

Riferimenti:

(1) Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP)

(2) Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART)

(3) Plant Nanobionic Sensors for Arsenic Detection

(4) Arsenic

(5) Tedrick Thomas Salim Lew

(6) Pteris cretica

(7) Michael S. Strano

Descrizione foto: Sensore nanobionico non distruttivo per piante incorporato nelle foglie che segnala i livelli di arsenico all'interno delle piante, consentendo il monitoraggio in tempo reale dell'assorbimento di arsenico nelle piante viventi. - Credit: Dr. Tedrick Thomas Salim Lew.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: SMART researchers develop new class of plant nanobionic sensor to monitor arsenic levels in soil