HMN, изготовленные с помощью PFA. Источник: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01923-2
Когда фермеры обрабатывают свои посевы пестицидами, от 30 до 50% химикатов попадают в воздух или почву, а не на растения. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института и Сингапура разработала гораздо более точный способ доставки веществ к растениям: крошечные иглы из шёлка.
В исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, учёные разработали способ производства большого количества этих полых шёлковых микроигл. Они использовали их для введения агрохимикатов и питательных веществ в растения, а также для наблюдения за их здоровьем.
«Существует большая потребность в повышении эффективности сельского хозяйства, — говорит Бенедетто Марелли, старший автор исследования и доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Массачусетском технологическом институте. «Агрохимикаты важны для поддержания нашей продовольственной системы, но они также дороги и оказывают побочные эффекты на окружающую среду, поэтому существует большая потребность в их точной доставке».
Юньтенг Цао, доктор философии, в настоящее время постдокторант Йельского университета, и Доюн Ким, бывший постдокторант в лаборатории Марелли, возглавили исследование, которое включало сотрудничество с междисциплинарной исследовательской группой «Прорывные и устойчивые технологии для точного сельского хозяйства» (DiSTAP) в Сингапурско-Массачусетском исследовательском альянсе (SMART).
В ходе демонстраций команда использовала эту технологию, чтобы обеспечить растения железом для лечения заболевания, известного как хлороз, и добавить в томаты витамин B12, чтобы сделать их более питательными. Исследователи также показали, что микроиглы можно использовать для контроля качества жидкостей, поступающих в растения, и для обнаружения в почве тяжёлых металлов.
В целом, исследователи считают, что микроиглы могут служить новым типом интерфейса для растений, позволяющим в режиме реального времени отслеживать состояние здоровья и повышать биологическую ценность.
«Эти микроиглы могут стать инструментом для учёных-ботаников, чтобы они могли больше узнать о здоровье растений и о том, как они растут, — говорит Марелли. — Но их также можно использовать для повышения ценности сельскохозяйственных культур, делая их более устойчивыми и, возможно, даже повышая урожайность».
На демонстрациях команда показала, что их новый метод можно использовать для насыщения растений железом для лечения заболевания, известного как хлороз, и для добавления витамина B12 в томаты, чтобы сделать их более питательными для людей. Фото: Бенедетто Марелли
Внутреннее устройство растений
Чтобы получить доступ к внутренним тканям живых растений, учёным необходимо проникнуть через восковую оболочку растений, не причиняя им слишком большого стресса. В предыдущей работе исследователи использовали микроиглы на основе шёлка для доставки агрохимикатов в растения в лабораторных условиях и для обнаружения изменений pH в живых растениях. Но в этих первых экспериментах использовались небольшие дозы, что ограничивало их применение в коммерческом сельском хозяйстве.
«Изначально микроиглы разрабатывались для введения вакцин или других лекарств людям, — объясняет Марелли. — Теперь мы адаптировали эту технологию для работы с растениями, но изначально мы не могли вводить достаточные дозы агрохимикатов и питательных веществ, чтобы смягчить воздействие стрессовых факторов или повысить питательную ценность урожая».
Полые структуры могут увеличить количество химических веществ, которые могут доставлять микроиглы, но Марелли говорит, что для создания таких структур в больших масштабах исторически требовались чистые помещения и дорогостоящее оборудование, подобное тому, что есть в здании MIT.nano.
Для этого исследования Цао и Ким создали новый способ изготовления полых шёлковых микроигл, смешав белок фиброин шёлка с солёным раствором в крошечных конусообразных формах. По мере испарения воды из раствора шёлк затвердевал в форме, а соль образовывала кристаллические структуры внутри форм. Когда соль удаляли, в каждой игле оставалась полая структура или крошечные поры, в зависимости от концентрации соли и разделения органической и неорганической фаз.
«Это довольно простой процесс изготовления. Его можно проводить не в чистом помещении — при желании вы могли бы делать это у себя на кухне, — говорит Ким. — Для этого не требуется дорогостоящее оборудование».
Затем исследователи протестировали способность своих микроигл доставлять железо в растения томатов, испытывающие дефицит железа, что может привести к заболеванию, известному как хлороз. Хлороз может снизить урожайность, но его лечение путём опрыскивания растений неэффективно и может иметь побочные эффекты для окружающей среды. Исследователи показали, что их полые микроиглы можно использовать для постоянной доставки железа без вреда для растений.
Исследователи также показали, что их микроиглы можно использовать для обогащения сельскохозяйственных культур во время их роста. Исторически сложилось так, что при обогащении сельскохозяйственных культур основное внимание уделялось таким минералам, как цинк или железо, а витамины добавлялись только после сбора урожая.
В каждом случае исследователи вручную наносили микроиглы на стебли растений, но Марелли планирует оснастить автономные транспортные средства и другое оборудование, уже используемое на фермах, чтобы автоматизировать и масштабировать процесс.
В рамках исследования учёные использовали микроиглы для доставки витамина B12, который в основном содержится в продуктах животного происхождения, в стебли растущих томатов. Это показало, что витамин B12 попадает в плоды томатов до сбора урожая. Исследователи предполагают, что их метод можно использовать для обогащения витамином большего количества растений.
Соавтор исследования Дайсукэ Урано, специалист по растениям из DiSTAP, объясняет, что «с помощью всесторонней оценки мы продемонстрировали минимальные побочные эффекты от инъекций микроигл в растения, при этом не наблюдалось краткосрочных или долгосрочных негативных последствий».
«Этот новый механизм доставки открывает множество потенциальных возможностей, поэтому мы хотели сделать то, чего раньше никто не делал», — объясняет Марелли.
Наконец, исследователи изучили возможность использования своих микроигл для мониторинга здоровья растений, изучая томаты, выращенные в гидропонных растворах, загрязнённых кадмием — токсичным металлом, который часто встречается на фермах, расположенных рядом с промышленными и горнодобывающими предприятиями. Они показали, что их микроиглы поглощают токсин в течение 15 минут после введения в стебли томатов, что позволяет быстро выявлять проблему.
Современные передовые методы мониторинга состояния растений, такие как колориметрический и гиперспектральный анализ, позволяют выявить проблемы только после того, как рост растения уже замедлился. Другие методы, такие как взятие проб сока, могут быть слишком трудоёмкими.
Микроиглы, напротив, можно использовать для более лёгкого сбора сока для постоянного химического анализа. Например, исследователи показали, что могут отслеживать уровень кадмия в помидорах в течение 18 часов.
Новая платформа для ведения сельского хозяйства
Исследователи считают, что микроиглы можно использовать в дополнение к существующим методам ведения сельского хозяйства, таким как опрыскивание. Исследователи также отмечают, что эта технология может применяться не только в сельском хозяйстве, но и в биомедицинской инженерии.
«Эта новая технология изготовления полимерных микроигл может также способствовать исследованиям в области трансдермальной и внутридермальной доставки лекарств с помощью микроигл и мониторинга состояния здоровья», — говорит Цао.
Однако на данный момент Марелли считает, что микроиглы открывают путь к более точным и экологичным методам ведения сельского хозяйства.
«Мы хотим добиться максимального роста растений, не нанося вреда здоровью животных на ферме или биоразнообразию окружающих экосистем, — говорит Марелли. — Не должно быть компромисса между сельским хозяйством и окружающей средой. Они должны работать вместе».