Forskere udvikler en ny klasse af plante nanobioniske sensorer til at overvåge arsenniveauer i jorden

Forskere fra Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), en tværfaglig forskningsgruppe (IRG) ved Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MITs forskningsvirksomhed i Singapore, har konstrueret en ny type plante nanobionisk optisk sensor, der kan detektere og overvåge, i realtid, niveauer af det meget giftige tungmetal arsen i det underjordiske miljø. Denne udvikling giver betydelige fordele i forhold til konventionelle metoder, der bruges til at måle arsen i miljøet og vil være vigtig for både miljøovervågning og landbrugsapplikationer for at sikre fødevaresikkerheden, da arsen er en forurening i mange almindelige landbrugsprodukter såsom ris, grøntsager, og teblade.

Denne nye tilgang er beskrevet i et papir med titlen, "Plant nanobioniske sensorer til arsendetektion, " offentliggjort for nylig i Avancerede materialer . Avisen blev ledet af Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, en nyligt kandidatstuderende ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og medforfatter af Michael Strano, co-lead principal investigator for DiSTAP og Carbon P. Dubbs professor ved MIT, samt Minkyung Park og Jianqiao Cui, begge kandidatstuderende ved MIT.

Arsen og dets forbindelser er en alvorlig trussel mod mennesker og økosystemer. Langvarig eksponering for arsen hos mennesker kan forårsage en lang række sundhedsskadelige virkninger, herunder hjerte-kar-sygdomme såsom hjerteanfald, diabetes, fødselsdefekt, svære hudlæsioner, og adskillige kræftformer, herunder hudkræft, blære, og lunge. Forhøjede niveauer af arsen i jorden som følge af menneskeskabte aktiviteter såsom minedrift og smeltning er også skadeligt for planter, hæmmer væksten og resulterer i betydelige afgrødetab. Mere bekymrende, fødevareafgrøder kan absorbere arsen fra jorden, fører til forurening af fødevarer og produkter indtaget af mennesker. Arsen i underjordiske miljøer kan også forurene grundvand og andre underjordiske vandkilder, hvis langsigtede forbrug kan forårsage alvorlige helbredsproblemer. Som sådan, udvikle præcise, effektiv, og arsensensorer, der er nemme at installere, er vigtige for at beskytte både landbrugsindustrien og en bredere miljøsikkerhed.

Disse nye optiske nanosensorer udviklet af SMART DiSTAP udviser ændringer i deres fluorescensintensitet ved påvisning af arsen. Indlejret i plantevæv uden skadelige virkninger på planten, disse sensorer giver en ikke-destruktiv måde at overvåge den interne dynamik af arsen, der optages af planter fra jorden. Denne integration af optiske nanosensorer i levende planter muliggør konvertering af planter til selvdrevne detektorer af arsen fra deres naturlige miljø, markerer en væsentlig opgradering fra de tids- og udstyrsintensive arsenprøvetagningsmetoder i de nuværende konventionelle metoder.

Hovedforfatter Dr. Tedrick Thomas Salim Lew sagde, "Vores plantebaserede nanosensor er ikke kun kendt for at være den første af sin slags, men også for de betydelige fordele, det giver i forhold til konventionelle metoder til måling af arsenniveauer i det underjordiske miljø, kræver mindre tid, udstyr, og mandskab. Vi forestiller os, at denne innovation i sidste ende vil se bred brug i landbrugsindustrien og videre. Jeg er taknemmelig over for SMART DiSTAP og Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), som begge var medvirkende til idégenerering, videnskabelig diskussion samt forskningsmidler til dette arbejde."

Udover at detektere arsen i ris og spinat, holdet brugte også en art af bregne, Pteris cretica, som kan hyperakkumulere arsen. Denne arter af bregne kan absorbere og tolerere høje niveauer af arsen uden skadelig virkning - konstruerer en ultrafølsom plantebaseret arsenikdetektor, i stand til at detektere meget lave koncentrationer af arsen, så lavt som 0,2 dele pr. milliard (ppb). I modsætning, den lovmæssige grænse for arsenikdetektorer er 10 dele pr. milliard. Især de nye nanosensorer kan også integreres i andre plantearter. Dette er den første vellykkede demonstration af levende plantebaserede sensorer til arsen og repræsenterer et banebrydende fremskridt, som kan vise sig meget nyttigt inden for både landbrugsforskning (f.eks. til at overvåge arsen optaget af spiselige afgrøder for fødevaresikkerhed), samt i generel miljøovervågning.

Tidligere, konventionelle metoder til måling af arsenniveauer omfattede regelmæssig feltprøvetagning, plantevæv fordøjelse, ekstraktion og analyse ved hjælp af massespektrometri. Disse metoder er tidskrævende, kræver omfattende prøvebehandling, og involverer ofte brugen af ​​omfangsrig og dyr instrumentering. SMART DiSTAPs nye metode til at koble nanopartikelsensorer med planters naturlige evne til effektivt at udtrække analytter via rødderne og transportere dem giver mulighed for påvisning af arsenoptagelse i levende planter i realtid med bærbare, billig elektronik, såsom en bærbar Raspberry Pi-platform udstyret med et charge-coupled device (CCD) kamera, beslægtet med et smartphone kamera.

Medforfatter, DiSTAP co-lead Principal Investigator, og MIT-professor Michael Strano tilføjede, "Dette er en enormt spændende udvikling, som, for første gang, vi har udviklet en nanobionisk sensor, der kan detektere arsen - en alvorlig miljøforurening og potentiel trussel mod folkesundheden. Med sine utallige fordele i forhold til ældre metoder til arsendetektion, denne nye sensor kunne være en game-changer, da det ikke kun er mere tidseffektivt, men også mere præcist og lettere at implementere end ældre metoder. Det vil også hjælpe planteforskere i organisationer som TLL til yderligere at producere afgrøder, der modstår optagelse af giftige elementer. Inspireret af TLLs nylige bestræbelser på at skabe risafgrøder, der optager mindre arsen, dette arbejde er en parallel indsats for yderligere at understøtte SMART DiSTAPs indsats inden for fødevaresikkerhedsforskning, konstant innovation og udvikling af nye teknologiske muligheder for at forbedre Singapores fødevarekvalitet og sikkerhed."