Forskare från Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), en interdisciplinär forskningsgrupp (IRG) vid Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT:s forskningsföretag i Singapore, har konstruerat en ny typ av nanobionisk optisk sensor för växter som kan upptäcka och övervaka, i realtid, halter av den mycket giftiga tungmetallen arsenik i den underjordiska miljön. Denna utveckling ger betydande fördelar jämfört med konventionella metoder som används för att mäta arsenik i miljön och kommer att vara viktig för både miljöövervakning och jordbrukstillämpningar för att säkerställa livsmedelssäkerhet, eftersom arsenik är en förorening i många vanliga jordbruksprodukter som ris, grönsaker, och teblad.

Detta nya tillvägagångssätt beskrivs i en artikel med titeln, "Plantera nanobioniska sensorer för arsenikdetektion, " publicerades nyligen i Avancerade material . Tidningen leddes av Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, en nyutexaminerad student vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och medförfattare av Michael Strano, co-lead huvudutredare för DiSTAP och Carbon P. Dubbs professor vid MIT, samt Minkyung Park och Jianqiao Cui, båda doktorander vid MIT.

Arsenik och dess föreningar är ett allvarligt hot mot människor och ekosystem. Långvarig exponering för arsenik hos människor kan orsaka ett brett spektrum av skadliga hälsoeffekter, inklusive hjärt-kärlsjukdomar såsom hjärtinfarkt, diabetes, missbildningar, allvarliga hudskador, och många cancerformer inklusive hudcancer, blåsa, och lunga. Förhöjda nivåer av arsenik i marken till följd av antropogena aktiviteter som gruvdrift och smältning är också skadligt för växter, hämmar tillväxten och resulterar i betydande skördeförluster. Mer oroande, matgrödor kan absorbera arsenik från jorden, leder till förorening av livsmedel och produkter som konsumeras av människor. Arsenik i underjordiska miljöer kan också förorena grundvatten och andra underjordiska vattenkällor, vars konsumtion på lång sikt kan orsaka allvarliga hälsoproblem. Som sådan, utveckla korrekt, effektiv, och lättanvända arseniksensorer är viktigt för att skydda både jordbruksindustrin och en bredare miljösäkerhet.

Dessa nya optiska nanosensorer utvecklade av SMART DiSTAP uppvisar förändringar i deras fluorescensintensitet vid detektering av arsenik. Inbäddad i växtvävnader utan skadliga effekter på växten, dessa sensorer ger ett oförstörande sätt att övervaka den inre dynamiken hos arsenik som tas upp av växter från jorden. Denna integration av optiska nanosensorer i levande växter möjliggör omvandling av växter till självdrivna detektorer av arsenik från deras naturliga miljö, markerar en betydande uppgradering från de tids- och utrustningskrävande arsenikprovtagningsmetoderna för nuvarande konventionella metoder.

Huvudförfattaren Dr. Tedrick Thomas Salim Lew sa, "Vår växtbaserade nanosensor är känd inte bara för att vara den första i sitt slag, men också för de betydande fördelar det ger jämfört med konventionella metoder för att mäta arseniknivåer i den underjordiska miljön, kräver mindre tid, Utrustning, och arbetskraft. Vi föreställer oss att denna innovation så småningom kommer att få stor användning inom jordbruksindustrin och utanför. Jag är tacksam mot SMART DiSTAP och Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), som båda var avgörande för idégenerering, vetenskaplig diskussion samt forskningsfinansiering för detta arbete."

Förutom att upptäcka arsenik i ris och spenat, teamet använde också en art av ormbunke, Pteris cretica, som kan hyperackumulera arsenik. Denna art av ormbunke kan absorbera och tolerera höga nivåer av arsenik utan skadlig effekt - konstruerar en ultrakänslig växtbaserad arsenikdetektor, kan detektera mycket låga koncentrationer av arsenik, så lågt som 0,2 delar per miljard (ppb). I kontrast, den lagstadgade gränsen för arsenikdetektorer är 10 delar per miljard. I synnerhet, de nya nanosensorerna kan också integreras i andra växtarter. Detta är den första framgångsrika demonstrationen av levande växtbaserade sensorer för arsenik och representerar ett banbrytande framsteg som kan visa sig vara mycket användbart inom både jordbruksforskning (t.ex. för att övervaka arsenik som tas upp av ätbara grödor för livsmedelssäkerhet), samt i allmän miljöövervakning.

Tidigare, konventionella metoder för att mäta arseniknivåer inkluderade regelbunden fältprovtagning, växtvävnad matsmältning, extraktion och analys med masspektrometri. Dessa metoder är tidskrävande, kräver omfattande provbehandling, och involverar ofta användningen av skrymmande och dyr instrumentering. SMART DiSTAPs nya metod för att koppla nanopartikelsensorer med växters naturliga förmåga att effektivt extrahera analyter via rötterna och transportera dem möjliggör detektering av arsenikupptag i levande växter i realtid med bärbara, billig elektronik, till exempel en bärbar Raspberry Pi-plattform utrustad med en laddningskopplad enhet (CCD) kamera, liknande en smartphonekamera.

Medförfattare, DiSTAP co-lead Principal Investigator, och MIT-professor Michael Strano tillade, "Det här är en oerhört spännande utveckling, som, för första gången, vi har utvecklat en nanobionisk sensor som kan upptäcka arsenik – en allvarlig miljöförorening och potentiellt hot mot folkhälsan. Med sina otaliga fördelar jämfört med äldre metoder för arsenikdetektion, den här nya sensorn kan vara en spelväxlare, eftersom det inte bara är mer tidseffektivt utan också mer exakt och lättare att implementera än äldre metoder. Det kommer också att hjälpa växtforskare i organisationer som TLL att ytterligare producera grödor som motstår upptag av giftiga ämnen. Inspirerad av TLL:s senaste försök att skapa risgrödor som tar upp mindre arsenik, detta arbete är en parallell ansträngning för att ytterligare stödja SMART DiSTAPs insatser inom forskning om livsmedelssäkerhet, ständigt förnyar och utvecklar ny teknisk kapacitet för att förbättra Singapores matkvalitet och säkerhet."