Você já se perguntou se suas plantas estavam secas e desidratadas, ou se você não as estava regando o suficiente? Fazendeiros e entusiastas com dedos verdes podem em breve ter uma maneira de descobrir isso em tempo real. 

Na última década, pesquisadores têm trabalhado em sensores para detectar uma ampla gama de compostos químicos, e um gargalo crítico tem sido o desenvolvimento de sensores que podem ser usados em sistemas biológicos vivos. Tudo isso está prestes a mudar com novos sensores da  Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) que podem detectar mudanças de pH em plantas vivas — um indicador de estresse de seca em plantas — e permitir a detecção e o gerenciamento oportunos do estresse de seca antes que ele leve à perda irreversível de rendimento.

Pesquisadores do grupo de pesquisa interdisciplinar  Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) da SMART, empresa de pesquisa do MIT em Cingapura, em colaboração com o Temasek Life Sciences Laboratory e o MIT, foram pioneiros nos primeiros sensores de estrutura orgânica covalente (COF) do mundo integrados em microagulhas de fibroína de seda (SF) para detecção in-planta de mudanças fisiológicas de pH. Esta tecnologia avançada pode detectar uma redução na acidez em tecidos do xilema da planta, fornecendo um alerta precoce de estresse por seca em plantas até 48 horas antes dos métodos tradicionais.

A seca — ou falta de água — é um estressor significativo que leva a uma menor produtividade ao afetar as principais vias metabólicas das plantas, reduzindo o tamanho das folhas, a extensão do caule e a proliferação das raízes. Se prolongada, pode eventualmente fazer com que as plantas fiquem descoloridas, murchem e morram. À medida que os desafios agrícolas — incluindo aqueles impostos pelas mudanças climáticas, aumento de custos e falta de espaço de terra — continuam a aumentar e afetam negativamente a produção e a produtividade das colheitas, os agricultores muitas vezes não conseguem implementar medidas proativas ou diagnóstico pré-sintomático para intervenção precoce e oportuna. Isso ressalta a necessidade de melhor integração de sensores que pode facilitar avaliações in vivo e intervenções oportunas em práticas agrícolas.

“Este tipo de sensor pode ser facilmente conectado à planta e consultado com instrumentação simples. Portanto, ele pode trazer análises poderosas, como as ferramentas que estamos desenvolvendo dentro do DISTAP, para as mãos de fazendeiros e pesquisadores”, diz o professor Michael Strano, coautor correspondente, copesquisador principal do DiSTAP e o professor Carbon P. Dubbs de Engenharia Química no MIT.

O avanço da SMART aborda um desafio de longa data para sensores baseados em COF, que eram — até agora — incapazes de interagir com tecidos biológicos. COFs são redes de moléculas orgânicas ou polímeros — que contêm átomos de carbono ligados a elementos como hidrogênio, oxigênio ou nitrogênio — dispostos em estruturas consistentes, semelhantes a cristais, que mudam de cor de acordo com diferentes níveis de pH. Como o estresse por seca pode ser detectado por meio de mudanças no nível de pH em tecidos vegetais, este novo sensor baseado em COF permite a detecção precoce do estresse por seca em plantas por meio da medição em tempo real dos níveis de pH em tecidos do xilema vegetal. Este método pode ajudar os agricultores a otimizar a produção e o rendimento das safras em meio a padrões climáticos e condições ambientais em evolução.

“Os sensores COF-silk fornecem um exemplo de novas ferramentas que são necessárias para tornar a agricultura mais precisa em um mundo que se esforça para aumentar a segurança alimentar global sob os desafios impostos pelas mudanças climáticas, recursos limitados e a necessidade de reduzir a pegada de carbono. A integração perfeita entre nanosensores e biomateriais permite a medição sem esforço dos principais parâmetros dos fluidos vegetais, como pH, que por sua vez nos permite monitorar a saúde das plantas”, diz o professor Benedetto Marelli, coautor correspondente, pesquisador principal no DiSTAP e professor associado de engenharia civil e ambiental no MIT.

Em um artigo de acesso aberto intitulado “ Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography ” publicado recentemente na  Nature Communications , pesquisadores do DiSTAP documentaram seu trabalho inovador, que demonstrou a detecção em tempo real de mudanças de pH em tecidos vegetais. Significativamente, este método permite o mapeamento 3D in vivo de níveis de pH em tecidos vegetais usando apenas uma câmera de smartphone, oferecendo uma abordagem minimamente invasiva para explorar ambientes anteriormente inacessíveis em comparação com métodos ópticos tradicionais mais lentos e destrutivos.

Pesquisadores do DiSTAP projetaram e sintetizaram quatro compostos COF que apresentam cromismo ácido ajustável — mudanças de cor associadas a níveis de pH variáveis — com microagulhas SF revestidas com uma camada de filme COF feito desses compostos. Por sua vez, a transparência das microagulhas SF e do filme COF permite a observação e visualização in vivo das distribuições espaciais de pH por meio de mudanças nas cores sensíveis ao pH.

“Com base em nosso trabalho anterior com filmes COF-SF biodegradáveis capazes de detectar deterioração de alimentos, desenvolvemos um método para detectar mudanças de pH em tecidos vegetais. Quando usados em plantas, os compostos COF farão a transição de vermelho escuro para vermelho conforme o pH aumenta nos tecidos do xilema, indicando que as plantas estão passando por estresse de seca e requerem intervenção precoce para evitar perda de rendimento”, diz Song Wang, cientista pesquisador da SMART DiSTAP e coprimeiro autor.

“As microagulhas SF são robustas e podem ser projetadas para permanecer estáveis mesmo quando interagem com tecidos biológicos. Elas também são transparentes, o que permite mapeamento multidimensional de forma minimamente invasiva. Emparelhados com os filmes COF, os agricultores agora têm uma ferramenta de precisão para monitorar a saúde das plantas em tempo real e lidar melhor com desafios como a seca e melhorar a resiliência das culturas”, diz Yangyang Han, pós-doutorado sênior na SMART DiSTAP e coprimeiro autor.

Este estudo estabelece a base para o futuro design e desenvolvimento para imagens químicas tomográficas baseadas em microagulhas COF-SF de plantas com sensores baseados em COF. Com base nesta pesquisa, os pesquisadores do DiSTAP trabalharão para avançar esta tecnologia inovadora além da detecção de pH, com foco na detecção de um amplo espectro de analitos biologicamente relevantes, como hormônios vegetais e metabólitos.

A pesquisa é conduzida pela SMART e apoiada pela Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura por meio do programa Campus for Research Excellence and Technological Enterprise.