Una soluzione innovativa arriva nuovamente da Benedetto Marelli il ricercatore italiano del MIT che con il suo gruppo si sta occupando di nuovi materiali e che ha già valorizzato in altri progetti la versatilità della seta.
“Il progetto è nato come una possibile soluzione a una richiesta del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti che sollecitava idee e proposte per affrontare la malattia che minaccia gli agrumi, un mercato che vale 9 miliardi di dollari”, dice Marelli. La malattia è diffusa da un insetto chiamato la psillide di agrumi asiatica che trasporta un batterio nella pianta e per cui non esiste attualmente nessuna cura. Milioni di acri di frutteti statunitensi sono già stati devastati.
La malattia infetta il floema, che è parte del sistema vascolare della pianta, comprese le radici, che sono molto difficili da raggiungere con qualsiasi trattamento convenzionale, ha spiegato Marelli. La maggior parte dei pesticidi viene semplicemente spruzzata o spennellata sulle foglie o sugli steli di una pianta e poco o niente penetra nel sistema radicale. Tali trattamenti sembrano poter funzionare per un breve periodo, ma i batteri rimbalzano indietro e fanno danni. Serviva qualcosa per poter raggiungere il floema che circola attraverso i tessuti di una pianta e in grado di trasportare un composto antibatterico nelle radici.
Il team del MIT ha deciso di adottare alcuni dei principi adottati nella medicina di precisione per gli esseri umani e di adattarli allo sviluppo di biomateriali specifici per le piante per poter creare dispositivi in grado di veicolare i farmaci.
Il sistema messo a punto utilizza una serie di micro aghi realizzati con un biomateriale a base di seta che possono rilasciare nutrienti, farmaci o altre molecole a parti specifiche della pianta.
Questi micro aghi, che i ricercatori chiamano fitoinettori, possono essere realizzati in una varietà di dimensioni e forme e possono fornire materiale in modo mirato alle radici, agli steli o alle foglie di una pianta o al suo xilema – il tessuto vascolare coinvolto nel trasporto dell’acqua e soluti dalle radici alle foglie – o al suo floema , il tessuto vascolare che fa circolare i metaboliti in tutta la pianta. Nei test di laboratorio, il team ha utilizzato piante di pomodoro e tabacco, ma il sistema potrebbe essere adattato a quasi tutte le colture.
I micro aghi non solo possono veicolare quantità mirate di molecole utili alla pianta, ma possono anche essere impiegati per prelevare campioni dalle piante per effettuare analisi di laboratorio.
“Volevamo risolvere il problema tecnico per riuscire a raggiungere in modo preciso il sistema vascolare delle piante”, ha commentato Cao, che ha sviluppato la tecnologia. “Ciò consentirebbe ai ricercatori di iniettare pesticidi, ad esempio, che verrebbero trasportati tra il sistema radicale e le foglie. Gli approcci attuali utilizzano aghi molto grandi e molto invasivi e che provocano danni alla pianta”. Per questo sono stati realizzati micro aghi utilizzando materiale a base di seta per iniettare vaccini umani.
Non era tuttavia possibile adattare alle piante il materiale impiegato per veicolare farmaci negli esseri umani. I micro aghi progettati per uso umano sono destinati a biodegradare naturalmente nel corpo, ma le piante hanno molta meno acqua disponibile, quindi il materiale non si dissolve e non risulta adatto a trasportare il pesticida o altre macromolecole nel floema.
I ricercatori hanno dovuto progettare un nuovo materiale, ma hanno deciso di usare la seta come base. La seta è resistente, non ha effetti collaterali sulle piante, si degrada in minuscole particelle che non rischiano di intasare i sistemi di vascolarizzazione delle piante stesse.
Il team ha usato strumenti di biotecnologia per aumentare l’idrofilia della seta, mantenendone le caratteristiche di resistenza e degradabilità in funzione delle esigenze delle piante. Ne ha poi verificato l’efficacia, testandone in laboratorio gli esiti su piante di pomodoro e piante di tabacco. I materiali iniettati, in questo caso molecole fluorescenti, si muovevano lungo la pianta, dalle radici alle foglie.
“Pensiamo che questo sia un nuovo strumento che può essere utilizzato da biologi e bioingegneri vegetali per comprendere meglio i fenomeni del sistema vascolare del piante”, ha afferma Cao. “Inoltre, può essere utilizzato per veicolare sostanze utili che potrebbero risolvere diversi problemi. Ad esempio, so può pensare di fornire micronutrienti o di introdurre geni, di cambiare l’espressione genica della pianta o addirittura ingegnerizzare una pianta.”
Finora, questa rimane una tecnica di laboratorio, quindi nella sua forma attuale non sarebbe utilizzabile per applicazioni su vasta scala, ma la speranza è che possa essere utilizzata per combattere malattie che fanno danni importanti.
Il team ha anche effettuato dei test utilizzando una pistola giocattolo montato su un piccolo drone, che è stato in grado di sparare micro aghi nelle piante sul campo. In definitiva, un tale processo potrebbe essere automatizzato usando veicoli autonomi, dice Marelli, per un uso in campo agricolo.
Il team sta continuando a lavorare per adattare il sistema alle diverse esigenze dei differenti tipi di piante e dei loro tessuti. “Esistono molte varianti tra loro, in realtà – afferma Marelli – quindi devi pensare a dispositivi specifici per ogni impianto. Per il futuro, l’area della nostra ricerca si estenderà, oltre al rilascio di antibiotici, anche all’ingegneria genetica e alla diagnostica basata sul campionamento dei metaboliti.”
I risultati sono descritti nella rivista Advanced Science, in un articolo scritto da Benedetto Marelli e Jing-Ke-Weng, lo studente laureato Yunteng Cao, postdoc Eugene Lim presso il MIT, e postdoc Menglong Xu presso l’Istituto Whitehead per la ricerca biomedica. Il lavoro è stato supportato dall’Office of Naval Research, dalla National Science Foundation e dalla Keck Foundation
L’immagine è del MIT.