Perangkat mikroinjeksi (merah) dipasang pada pohon jeruk, menyediakan cara untuk menyuntikkan pestisida atau bahan lain langsung ke sistem peredaran tanaman. Kredit: Penghargaan para peneliti
Microneedles yang terbuat dari bahan berbasis sutra dapat menargetkan jaringan tanaman untuk pengiriman mikronutrien, hormon, atau gen.
Sementara dunia manusia terhuyung-huyung karena satu pandemi, ada beberapa epidemi yang sedang berlangsung yang memengaruhi tanaman dan membahayakan produksi pangan global. Jeruk, zaitun, dan pisang sudah terancam di banyak daerah karena penyakit yang mempengaruhi sistem sirkulasi tanaman dan tidak dapat diobati dengan menggunakan pestisida.
Sebuah metode baru yang dikembangkan oleh para insinyur di MIT adalah singkatan dari Massachusetts Institute of Technology. Ini adalah universitas riset swasta bergengsi di Cambridge, Massachusetts yang didirikan pada tahun 1861. Ini diatur dalam lima Sekolah: arsitektur dan perencanaan; rekayasa; humaniora, seni, dan ilmu sosial; pengelolaan; dan sains. Dampak MIT mencakup banyak terobosan ilmiah dan kemajuan teknologi. Tujuan mereka menyatakan adalah untuk membuat dunia yang lebih baik melalui pendidikan, penelitian, dan inovasi.
MIT mungkin menawarkan titik awal untuk memberikan perawatan yang menyelamatkan hidup tanaman yang dirusak oleh penyakit.
Penyakit ini sulit dideteksi sejak dini dan diobati, mengingat kurangnya alat presisi untuk mengakses pembuluh darah tanaman untuk mengobati patogen dan sampel biomarker. Tim MIT memutuskan untuk mengambil beberapa prinsip yang terlibat dalam pengobatan presisi untuk manusia dan mengadaptasinya untuk mengembangkan biomaterial khusus tumbuhan dan alat penghantaran obat.
Tanaman tomat, yang digunakan dalam eksperimen tim untuk membuktikan keefektifan sistem mikroinjeksi mereka, memiliki salah satu perangkat, berwarna merah, terpasang pada batangnya. Kredit: Courtesy of the research chers
Metode ini menggunakan susunan microneedles yang terbuat dari biomaterial berbasis sutra untuk mengirimkan nutrisi, obat-obatan, atau molekul lain ke bagian tanaman tertentu. Temuan ini dijelaskan dalam jurnal Advanced Science , dalam sebuah makalah oleh profesor MIT Benedetto Marelli dan Jing-Ke-Weng, mahasiswa pascasarjana Yunteng Cao, postdoc Eugene Lim di MIT, dan postdoc Menglong Xu di Whitehead Institute for Biomedical Research.
Microneedles, yang oleh para peneliti disebut phytoinjectors, dapat dibuat dalam berbagai ukuran dan bentuk, dan dapat mengirimkan bahan secara khusus ke akar, batang, atau daun tanaman, atau ke dalam xilemnya (jaringan vaskular yang terlibat dalam transportasi air dari akar ke kanopi) atau floem (jaringan vaskular yang mensirkulasikan metabolit ke seluruh tanaman). Dalam tes laboratorium, tim tersebut menggunakan tanaman tomat dan tembakau, namun sistem tersebut dapat disesuaikan dengan hampir semua tanaman, kata mereka. Microneedles tidak hanya dapat mengirimkan muatan molekul yang ditargetkan ke dalam pabrik, tetapi juga dapat digunakan untuk mengambil sampel dari pabrik untuk analisis laboratorium.
Pekerjaan dimulai sebagai tanggapan atas permintaan dari Departemen Pertanian AS untuk ide-ide tentang bagaimana mengatasi krisis penghijauan jeruk, yang mengancam runtuhnya industri senilai $9 miliar, kata Marelli. Penyakit ini disebarkan oleh serangga yang disebut psyllid jeruk Asia yang membawa bakteri ke dalam tanaman. Belum ada obat untuk itu, dan jutaan hektar kebun AS telah hancur. Sebagai tanggapan, lab Marelli bersiap untuk mengembangkan teknologi microneedle baru, yang dipimpin oleh Cao sebagai proyek tesisnya.
Penyakit ini menginfeksi floem seluruh tanaman, termasuk akar, yang sangat sulit dijangkau dengan pengobatan konvensional apa pun, jelas Marelli. Sebagian besar pestisida hanya disemprotkan atau dioleskan ke daun atau batang tanaman, dan hanya sedikit jika ada yang menembus sistem akar. Perawatan semacam itu mungkin tampak bekerja untuk sementara waktu, tetapi kemudian bakteri bangkit kembali dan merusaknya. Yang dibutuhkan adalah sesuatu yang dapat menargetkan floem yang beredar melalui jaringan tanaman, yang dapat membawa senyawa antibakteri ke dalam akar. Itulah yang berpotensi dicapai oleh beberapa versi microneedles baru, katanya.
“Kami ingin memecahkan masalah teknis tentang bagaimana Anda dapat memiliki akses tepat ke pembuluh darah tanaman,” tambah Cao. Ini akan memungkinkan para peneliti untuk menyuntikkan pestisida, misalnya, yang akan diangkut antara sistem akar dan daun. Pendekatan saat ini menggunakan “jarum yang sangat besar dan sangat invasif, dan mengakibatkan kerusakan pada tanaman,” katanya. Untuk menemukan penggantinya, mereka melanjutkan pekerjaan sebelumnya yang telah menghasilkan microneedles menggunakan bahan berbasis sutra untuk menyuntikkan vaksin manusia.
“Kami menemukan bahwa adaptasi bahan yang dirancang untuk penghantaran obat pada manusia ke tumbuhan tidak mudah, karena perbedaan tidak hanya pada pembuluh darah jaringan, tetapi juga pada komposisi cairan,” kata Lim. Microneedles yang dirancang untuk digunakan manusia dimaksudkan untuk terurai secara alami dalam kelembapan tubuh, tetapi tanaman memiliki air yang jauh lebih sedikit, sehingga bahan tersebut tidak larut dan tidak berguna untuk mengirimkan pestisida atau makromolekul lain ke dalam floem. Para peneliti harus merancang bahan baru, tetapi mereka memutuskan untuk tetap menggunakan sutra sebagai dasarnya. Itu karena kekuatan sutera, kelembamannya pada tanaman (mencegah efek samping yang tidak diinginkan), dan fakta bahwa sutra terdegradasi menjadi partikel kecil yang tidak berisiko menyumbat sistem pembuluh darah internal tanaman.
Mereka menggunakan alat bioteknologi untuk meningkatkan kota hidrofilik sutra (membuatnya menarik air), sekaligus menjaga agar bahan tersebut cukup kuat untuk menembus epidermis tanaman dan cukup terurai untuk kemudian menyingkir.
Benar saja, mereka menguji bahan tersebut pada tanaman laboratorium tomat dan tembakau mereka, dan dapat mengamati bahan yang disuntikkan, dalam hal ini molekul fluoresen, bergerak sepanjang jalan melalui tanaman, dari akar ke daun.
“Kami pikir ini adalah alat baru yang dapat digunakan oleh ahli biologi tumbuhan dan ahli biologi untuk lebih memahami fenomena transportasi pada tumbuhan,” kata Cao. Selain itu, dapat digunakan “untuk mengirimkan muatan ke pabrik, dan ini dapat memecahkan beberapa masalah. Misalnya, Anda dapat berpikir tentang mengirimkan mikronutrien, atau Anda dapat berpikir tentang mengirimkan gen, untuk mengubah ekspresi gen tanaman atau pada dasarnya merekayasa tanaman.”
“Sekarang, kepentingan laboratorium untuk phytoinjectors telah berkembang melampaui pengiriman antibiotik ke rekayasa genetika dan diagnostik di tempat perawatan,” tambah Lim.
Misalnya, dalam percobaan mereka dengan tanaman tembakau, mereka mampu menyuntikkan organisme yang disebut Agrobacterium untuk mengubah DNA tanaman, atau asam deoksiribonukleat, yaitu molekul yang terdiri dari dua helai nukleotida panjang yang saling melilit untuk membentuk heliks ganda. Ini adalah materi herediter pada manusia dan hampir semua organisme lain yang membawa instruksi genetik untuk perkembangan, fungsi, pertumbuhan, dan reproduksi. Hampir setiap sel dalam tubuh seseorang memiliki DNA yang sama. Sebagian besar DNA terletak di inti sel (yang disebut DNA inti), tetapi sejumlah kecil DNA juga dapat ditemukan di mitokondria (yang disebut DNA mitokondria atau mtDNA).
DNA – alat bioteknologi biasa, tetapi disampaikan dengan cara baru dan tepat.
Sejauh ini, ini adalah teknik laboratorium yang menggunakan peralatan presisi, jadi dalam bentuknya yang sekarang tidak akan berguna untuk aplikasi skala pertanian, tetapi diharapkan dapat digunakan, misalnya, untuk varietas tanaman penting yang taha
n penyakit. tanaman. Tim juga telah melakukan tes menggunakan pistol mainan yang dimodifikasi yang dipasang pada drone kecil, yang mampu menembakkan microneedles ke tanaman di lapangan. Pada akhirnya, proses seperti itu mungkin diotomatisasi menggunakan kendaraan otonom, kata Marelli, untuk penggunaan skala pertanian.
Sementara itu, tim terus berupaya menyesuaikan sistem dengan berbagai kebutuhan dan kondisi berbagai jenis tumbuhan dan jaringannya. “Ada banyak variasi di antara mereka, sungguh,” kata Marelli, jadi Anda perlu memikirkan untuk memiliki perangkat yang khusus untuk tanaman. Untuk masa depan, minat penelitian kami akan melampaui pengiriman antibiotik ke rekayasa genetika dan diagnostik di tempat perawatan berdasarkan pengambilan sampel metabolit.”
Referensi: “Pengiriman Presisi Muatan Multiskala ke Jaringan ‐ Target Spesifik pada Tumbuhan” oleh Yunteng Cao, Dr. Eugene Lim, Dr. Menglong Xu, Prof. Jing ‐ Ke Weng dan Prof. Benedetto Marelli, 22 April 2020, Sains Lanjutan .
DOI: 10.1002/advs.201903551
Pekerjaan itu didukung oleh Office of Naval Research, National Science Foundation, dan Keck Foundation.
