Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno creato un ambiente miniaturizzato per studiare l'ecosistema attorno alle radici degli alberi di pioppo per approfondimenti sulla salute delle piante e sul sequestro del carbonio nel suolo.

La piattaforma rizosfera su chip si basa sulla storia del laboratorio nella costruzione di dispositivi lab su chip, in cui minuscoli canali e camere sono incisi su un vetrino da microscopio in modo che i fluidi possano essere introdotti e studiati per la ricerca sulle separazioni biochimiche e test.

In questo caso gli scienziati stanno imitando il terreno sul chip, facendo germogliare pioppi nel fluido e studiando l'ambiente intorno alle loro radici, noto come rizosfera. Gli scienziati osservano come i microbi interagiscono con le sostanze chimiche all'interno del suolo artificiale per influenzare la salute delle piante e acquisire una migliore comprensione dei processi che regolano lo stoccaggio del carbonio.

La rizosfera è uno dei sistemi più complessi al mondo, in cui le radici delle piante assorbono acqua e sostanze nutritive, creano un ambiente fisico e biogeochimico unico per i microbi ed emettono carbonio atmosferico nel suolo. Potrebbero esserci centinaia di batteri diversi che crescono vicino alle radici delle piante o sono influenzati dalla rizosfera. I ricercatori dell'ORNL sono particolarmente interessati al modo in cui microbi come batteri e funghi interagiscono con le radici delle piante per aiutare le piante a crescere più velocemente e sopravvivere a minacce come siccità, incendi, malattie e parassiti.

"È molto difficile vedere all'interno del suolo per osservare questi processi poiché le particelle sono molto scure", ha affermato Jack Cahill della divisione di bioscienze dell'ORNL.

Rhizosphere-on-a-chip consente ai ricercatori di creare sistemi modello e quindi utilizzare tecniche come la spettrometria di massa per identificare le sostanze chimiche e la loro distribuzione attorno alle radici delle piante. Tale conoscenza informa un'analisi delle interazioni chimiche nell'ecosistema, come i segnali chimici delle piante al fine di attrarre o respingere i microbi. L'uso del sistema a chip consente inoltre di risparmiare campioni rimuovendo solo una piccola quantità di liquido dalla piattaforma e consentendo alle piante di continuare a crescere.

Preparare la tavola per la scienza

"Utilizzando la spettrometria di massa, siamo in grado di intercettare la conversazione tra questi sistemi viventi di piante, funghi e microbi per capire come e perché fanno le cose pazze che fanno", ha affermato Scott Retterer, che dirige la sezione di sintesi dei nanomateriali presso ORNL e ha co-sviluppato la piattaforma utilizzando le strutture di nanofabbricazione all'interno del Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura utente del DOE Office of Science presso ORNL.

"Lo descrivo come un acquario di fantasia", ha detto Retterer. "Eccetto che il nostro acquario ha le dimensioni di un vetrino da microscopio e gli strumenti che utilizziamo per modellare quell'ambiente sono gli stessi tipi di strumenti utilizzati da Intel per realizzare i microchip. Quindi organizziamo una cena nell'acquario per batteri, piante e funghi. Noi apparecchia la tavola con il cibo e osserva come questo influenza la festa."

Gli scienziati dell'ORNL che utilizzano la piattaforma hanno riscontrato, ad esempio, alte concentrazioni di aminoacidi molto vicine alle radici delle piante, un fenomeno che in precedenza non era stato osservato. Mentre una volta si pensava che quei composti si muovessero e si diluissero attraverso la struttura del suolo, non è così, ha detto Cahill.

"La fluidodinamica in questi sistemi di chip è limitata, quindi ci consente di vedere le concentrazioni di molecole che non ci si aspetterebbe necessariamente senza essere in grado di misurarle direttamente utilizzando la piattaforma del chip", ha aggiunto.

Ottenere informazioni per piante migliori

Per la ricerca sulla bioenergia dell'ORNL, l'impatto è "una migliore comprensione di come piante, microbi e i loro stati chimici si relazionano tra loro. Se riusciamo a prevederlo e controllarlo, possiamo usare quella conoscenza per sviluppare piante resistenti all'ambiente, che crescono più velocemente , sono più economici da produrre e (sono) quindi più adatti per la produzione economica di biocarburanti sostenibili", ha affermato Cahill.

Le tecniche di imaging spaziale sviluppate dai ricercatori dell'ORNL potrebbero essere utilizzate anche per la ricerca farmacologica per determinare se i composti farmaceutici stanno effettivamente raggiungendo e venendo assorbiti dal corpo umano come parte dei loro esperimenti "tumor-on-a-chip", che potrebbero sostituire test simili nei topi.

"I grandi strumenti scientifici che abbiamo qui al laboratorio nazionale e le interazioni fortuite con scienziati di ogni estrazione sono davvero ciò che ci spinge nello sviluppo di queste nuove piattaforme di ricerca", ha affermato Retterer. "È come una grande cena scientifica in cui porti il ​​tuo piatto preferito e lo condividi. Si mescolano tutti insieme sul piatto e poi, all'improvviso, abbiamo questa fantastica rizosfera su chip."

Retterer ha anche sottolineato il ruolo dei gruppi di ricerca, che "danno vita a queste grandi idee. Sono i nostri tecnici, dottorandi e studenti che rendono possibile la ricerca interdisciplinare".

La ricerca è pubblicata su Lab on a Chip . I colleghi che lavorano al progetto all'ORNL includono Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy e Amber Webb. Jayde Aufrecht ha co-sviluppato la piattaforma come studentessa laureata all'ORNL e ora lavora al Pacific Northwest National Laboratory, dove continua a collaborare alla ricerca. + Esplora ulteriormente

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