Los métodos convencionales de aplicación de agroquímicos en la agricultura, como la pulverización de cultivos, enfrentan un grave problema de ineficiencia. Se estima que una proporción significativa, entre el 30 y el 50 por ciento, de los pesticidas, herbicidas o nutrientes aplicados no llega en absoluto a las plantas objetivo. En cambio, se dispersan en el aire, se depositan en el suelo o son arrastrados por la lluvia, lo que provoca contaminación ambiental, daño potencial a organismos no objetivo, incluidos insectos beneficiosos y microorganismos del suelo, y representa una pérdida financiera significativa para los agricultores. Este desperdicio no solo reduce la eficacia de la protección de cultivos y la fertilización, sino que también crea riesgos ecológicos al contaminar cursos de agua y aguas subterráneas.

En busca de soluciones más precisas y sostenibles, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y sus colaboradores de Singapur han desarrollado una tecnología innovadora que promete revolucionar la forma en que se entregan las sustancias necesarias a las plantas. Su enfoque utiliza agujas diminutas, conocidas como microagujas, hechas de proteína de seda. Estas microagujas permiten la inyección directa y dirigida de agroquímicos, vitaminas y otros compuestos directamente en los tejidos vegetales, evitando los problemas asociados con la aplicación externa.

Precisión revolucionaria mediante microagujas de seda

Los resultados de esta investigación, publicados en la prestigiosa revista científica Nature Nanotechnology a finales de abril de 2024, representan un avance significativo en la tecnología agrícola. El método desarrollado permite la producción de microagujas huecas de seda en grandes cantidades, lo cual es crucial para la aplicación potencial en la agricultura comercial. Estas estructuras huecas pueden transportar cantidades significativamente mayores de sustancias activas en comparación con las microagujas sólidas anteriores, abriendo así la posibilidad de una aplicación más eficaz.

Benedetto Marelli, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT y líder de la investigación, enfatiza la necesidad de aumentar la eficiencia en la agricultura. "Los agroquímicos son importantes para apoyar nuestro sistema alimentario, pero también son costosos y conllevan consecuencias ambientales negativas. Por lo tanto, existe una gran necesidad de su entrega precisa", explica Marelli. La tecnología de microagujas, desarrollada originalmente con fines médicos como la administración de vacunas a humanos, ahora se ha adaptado para su uso con plantas, ofreciendo una solución a los problemas de larga data de ineficiencia e impacto ambiental de los métodos tradicionales.

La investigación fue dirigida por Yunteng Cao, actualmente investigador postdoctoral en la Universidad de Yale, y Doyoon Kim, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Marelli. El proyecto también incluyó la colaboración con el grupo de investigación interdisciplinario Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) en la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), el centro de investigación del MIT en Singapur. El grupo DiSTAP se centra específicamente en el desarrollo de tecnologías avanzadas para resolver problemas clave en la producción mundial de alimentos.

Fabricación sencilla, gran potencial

Uno de los aspectos clave de esta innovación es el proceso sorprendentemente simple para fabricar microagujas huecas. A diferencia de muchos procesos nanotecnológicos que requieren costosas salas limpias y equipos especializados, Cao y Kim desarrollaron un método que se puede realizar en condiciones significativamente menos controladas.

El proceso comienza combinando la proteína fibroína de seda (la proteína estructural clave en la seda) con una solución salina dentro de pequeños moldes en forma de cono. A medida que el agua se evapora de la solución, la seda se solidifica dentro del molde, adoptando su forma. Simultáneamente, la sal forma estructuras cristalinas dentro de la futura aguja. Una vez que la seda se ha endurecido por completo, la sal se lava, dejando un interior hueco o, dependiendo de la concentración de sal y la separación de fases, una red de poros diminutos dentro de la aguja. Esta cavidad o porosidad es crucial para la capacidad de la microaguja de transportar y entregar sustancias líquidas.

"Es un proceso de fabricación bastante simple. Se puede hacer fuera de una sala limpia; podrías hacerlo en tu cocina si quisieras", señala Kim. "No requiere ninguna maquinaria costosa". Esta facilidad de producción abre la puerta a una mayor disponibilidad y costos de implementación potencialmente más bajos para la tecnología en el futuro.

Tratamiento de plantas y enriquecimiento de cultivos

Para demostrar la eficacia de su tecnología, los investigadores realizaron una serie de experimentos en plantas de tomate. Un enfoque fue el tratamiento de la clorosis, una enfermedad causada por la deficiencia de hierro en las plantas. La clorosis se manifiesta como amarillamiento de las hojas debido a la incapacidad de la planta para producir suficiente clorofila, lo que puede reducir significativamente los rendimientos. El problema suele ser pronunciado en suelos con pH alto (suelos alcalinos, como los ricos en piedra caliza) o en suelos arcillosos pesados y mal drenados, donde el hierro, aunque presente, no está en una forma disponible para las plantas. El tratamiento tradicional mediante pulverización con sulfato de hierro o quelatos suele ser ineficaz y de corta duración, ya que la sustancia se absorbe mal a través de las hojas o se lava rápidamente.

Utilizando sus microagujas huecas de seda, el equipo aplicó con éxito hierro directamente en los tallos de tomates que padecían clorosis. Los resultados mostraron que este método permite una entrega sostenida y más duradera de hierro directamente al sistema vascular de la planta, sin causar daños significativos. El coautor del estudio, Daisuke Urano, científico de plantas de DiSTAP, confirmó que las evaluaciones detalladas mostraron efectos negativos mínimos de las inyecciones de microagujas, sin consecuencias observadas a corto o largo plazo para la salud de la planta.

Otro experimento significativo se centró en la biofortificación, el proceso de aumentar el valor nutricional de los cultivos durante su crecimiento. Si bien los esfuerzos anteriores se han centrado principalmente en minerales como el zinc o el hierro, agregar vitaminas, especialmente aquellas que no se encuentran naturalmente en las plantas, planteaba un desafío mayor. La vitamina B12, esencial para la salud humana y presente principalmente en productos de origen animal, suele faltar en las dietas veganas y vegetarianas.

Los investigadores utilizaron microagujas para inyectar vitamina B12 en los tallos de plantas de tomate en crecimiento. Los análisis posteriores confirmaron que la vitamina se transportó con éxito por toda la planta y se acumuló en los frutos de tomate antes de la cosecha. Este descubrimiento abre posibilidades completamente nuevas para enriquecer varios tipos de frutas y verduras con vitaminas durante el cultivo, haciéndolos nutricionalmente más valiosos. "Este nuevo mecanismo de entrega abre muchas aplicaciones potenciales, por lo que queríamos hacer algo que nadie hubiera hecho antes", explica Marelli.

Monitoreo de la salud de las plantas en tiempo real

Además de la entrega de sustancias, las microagujas de seda también han demostrado ser útiles para monitorear el estado de salud de las plantas. Las técnicas avanzadas de monitoreo actuales, como el análisis del color de las hojas (colorimetría) o el análisis hiperespectral, a menudo solo pueden detectar problemas cuando el crecimiento de la planta ya está comprometido. Otros métodos, como el muestreo de savia vegetal, pueden ser invasivos y llevar mucho tiempo.

El equipo de investigación exploró la posibilidad de utilizar microagujas para detectar metales pesados en las plantas. Cultivaron tomates en soluciones hidropónicas contaminadas con cadmio, un metal tóxico que se encuentra a menudo en suelos cercanos a áreas industriales y mineras. Después de inyectar microagujas en los tallos de los tomates, se demostró que las agujas absorbieron cadmio de la savia de la planta en solo 15 minutos. Esto sugiere que las microagujas podrían usarse como una herramienta de diagnóstico rápido para detectar contaminantes.

Además, las microagujas permiten la recolección de pequeñas muestras de savia vegetal para análisis químicos continuos. El equipo demostró la capacidad de monitorear los niveles de cadmio en tomates durante 18 horas, lo que indica el potencial para desarrollar sistemas de monitoreo en tiempo real de la salud de las plantas y las condiciones ambientales. Dichos sistemas podrían proporcionar señales de alerta temprana de estrés causado por sequía, deficiencia de nutrientes o presencia de toxinas, permitiendo una intervención oportuna.

Nuevos horizontes para la agricultura sostenible

Aunque las microagujas se aplicaron manualmente en el estudio, Marelli y su equipo prevén un futuro en el que este proceso podría automatizarse. La integración con la maquinaria agrícola existente, como vehículos autónomos, tractores o incluso drones (aunque la aplicación con drones todavía presenta desafíos técnicos), podría permitir la aplicación en grandes áreas agrícolas.

Los investigadores creen que la tecnología de microagujas de seda podría complementar las prácticas agrícolas existentes, ofreciendo una alternativa o adición más precisa y respetuosa con el medio ambiente a la pulverización. Al reducir la cantidad de agroquímicos utilizados y entregarlos de manera específica, se reduce el riesgo de contaminación ambiental, se ahorra dinero y se aumenta potencialmente la eficiencia de los tratamientos y la fertilización.

Es importante señalar que el potencial de esta tecnología se extiende más allá de la agricultura. "Esta nueva técnica de fabricación de microagujas de polímero también podría beneficiar la investigación en la administración transdérmica e intradérmica de fármacos y el monitoreo de la salud en humanos", dice Cao. Las propiedades de la seda como material biocompatible y biodegradable la hacen atractiva para diversas aplicaciones biomédicas.

Sin embargo, el enfoque principal actualmente sigue siendo la transformación de la agricultura hacia prácticas más sostenibles. "Queremos maximizar el crecimiento de las plantas sin afectar negativamente la salud de la granja o la biodiversidad de los ecosistemas circundantes", concluye Marelli. "No debería haber una compensación entre la industria agrícola y el medio ambiente. Deberían trabajar juntos". El desarrollo de tecnologías de precisión como las microagujas de seda representa un paso crucial hacia la realización de esta visión, donde la productividad y la responsabilidad ambiental se apoyan mutuamente.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology