(Cao et al., Advanced Science, 2020) Sie denken vielleicht nicht, dass Pflanzen lebensrettende Medikamente benötigen, aber das ist manchmal der Fall, wenn Insekten und Krankheiten auftreten. Jetzt haben Wissenschaftler eine äußerst präzise und äußerst empfindliche Methode entwickelt, um Medikamente genau dort abzugeben, wo Pflanzen sie benötigen.
Derzeit können Pflanzen mit Pestiziden besprüht werden, die nicht wirklich bis in die Wurzeln eindringen, oder sie können mit großen Nadeln behandelt werden, die nicht besonders präzise sind und dazu neigen, die Pflanzen zu schädigen.
Die neue Methode nutzt Mikronadeln oder sogenannte „Phytoinjektoren“, die auf einem Biomaterialpflaster auf Seidenbasis sitzen und direkt in das Kreislaufsystem einer Pflanze gelangen können. Im Gegensatz dazu könnten Pestizide zwischen dem Wurzelsystem und den Blättern wandern.
(Cao et al., Advanced Science, 2020)
Der neue Mechanismus könnte nicht nur Medikamente oder Nährstoffe an verschiedene Teile der Pflanze abgeben, sondern auch dazu verwendet werden, Proben einer Pflanze zu entnehmen, die dann zur Analyse in ein Labor übertragen werden, oder sogar zur Bearbeitung von DNA (was das Team erfolgreich versucht hat). ).
„Wir wollten das technische Problem lösen, wie man einen präzisen Zugang zum Pflanzengefäßsystem erhält“, sagt Maschinenbauingenieur Yunteng Cao from MIT.
„Man kann über die Bereitstellung von Mikronährstoffen nachdenken oder über die Bereitstellung von Genen, um die Genexpression der Pflanze zu verändern oder einfach eine Pflanze zu manipulieren.“
Die Motivation für das Projekt ergab sich aus der Verbreitung des Citrus-Greening-Krankheit In den USA und anderen Teilen der Welt droht eine Industrie mit einem Wert von 9 Milliarden US-Dollar zu vernichten, wenn keine Lösung gefunden wird. Oliven und Bananen sind derzeit weltweit besonders gefährdet durch Krankheiten.
Frühere Arbeiten zur Verwendung von Mikronadeln zur Verabreichung menschlicher Impfstoffe dienten als Ausgangspunkt, wobei Seide als Basis für das Material diente, das die Mikronadeln hält.
Seide ist stark, löst bei Pflanzen keine Reaktion aus und kann so weit abbaubar gemacht werden, dass sie nach der Verabreichung der Medikamente nicht mehr im Weg ist.
Allerdings musste sich auch im Vergleich zu Mikronadeln beim Menschen einiges ändern: Pflanzen steht viel weniger Wasser zur Verfügung als dem menschlichen Körper, sodass das Design angepasst werden musste.
Dem Wissenschaftlerteam gelang es, die Hydrophilie (wasseranziehende Fähigkeit) der Seide zu steigern und ein neues Material zu entwickeln, das besser für Pflanzen geeignet ist.
„Wir fanden heraus, dass die Anpassung eines Materials, das für die Arzneimittelabgabe beim Menschen an Pflanzen entwickelt wurde, nicht einfach war, da es nicht nur Unterschiede im Gefäßsystem des Gewebes, sondern auch in der Flüssigkeitszusammensetzung gab.“ sagt der Biologe Eugene Lim .
Tests des Materials und seiner mikronadeligen Nutzlast an Tomaten- und Tabakpflanzen zeigten, dass es als Medikamentenverabreichungssystem erfolgreich sein könnte. Fluoreszierende Moleküle wurden verwendet, um den Fortschritt der Injektion von den Wurzeln bis zu den Blättern zu verfolgen.
Das System sollte sich relativ leicht an andere Pflanzen anpassen, sagen die Forscher, obwohl sich die Skalierung als schwieriger erweisen wird. Die Arbeit sollte sich jedoch für zukünftige Projekte als nützlich erweisen, sowohl bei der Bereitstellung lebensrettender Medikamente, um Pflanzen vor Krankheiten zu schützen, als auch bei der Entwicklung dieser Medikamente, um Krankheiten von vornherein zu verhindern.
„Für die Zukunft werden unsere Forschungsinteressen über die Antibiotikaverabreichung hinaus auf Gentechnik und Point-of-Care-Diagnostik auf der Grundlage von Metabolitenproben gehen.“ sagt Umweltingenieur Benedetto Marelli .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Wissenschaft .