Scienziati di Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP), un gruppo di ricerca interdisciplinare (IRG) presso la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), impresa di ricerca del MIT a Singapore, hanno progettato un nuovo tipo di sensore ottico nanobionico vegetale in grado di rilevare e monitorare, in tempo reale, livelli di arsenico, un metallo pesante altamente tossico, nell'ambiente sotterraneo. Questo sviluppo offre vantaggi significativi rispetto ai metodi convenzionali utilizzati per misurare l'arsenico nell'ambiente e sarà importante sia per il monitoraggio ambientale che per le applicazioni agricole per salvaguardare la sicurezza alimentare, poiché l'arsenico è un contaminante in molti prodotti agricoli comuni come il riso, la verdura, e foglie di tè.

Questo nuovo approccio è descritto in un documento intitolato, "Sensori nanobionici vegetali per il rilevamento dell'arsenico, " pubblicato di recente in Materiale avanzato . Il documento è stato condotto dal Dr. Tedrick Thomas Salim Lew, uno studente neolaureato del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e co-autore di Michael Strano, co-lead investigator principale di DiSTAP e Carbon P. Dubbs Professor al MIT, così come Minkyung Park e Jianqiao Cui, entrambi studenti laureati al MIT.

L'arsenico e i suoi composti sono una seria minaccia per l'uomo e gli ecosistemi. L'esposizione a lungo termine all'arsenico nell'uomo può causare un'ampia gamma di effetti dannosi sulla salute, comprese le malattie cardiovascolari come infarto, diabete, difetti di nascita, gravi lesioni cutanee, e numerosi tumori compresi quelli della pelle, Vescica urinaria, e polmone. Elevati livelli di arsenico nel suolo a causa di attività antropiche come l'estrazione mineraria e la fusione sono anche dannosi per le piante, inibendo la crescita e provocando notevoli perdite di raccolto. Più preoccupante, le colture alimentari possono assorbire l'arsenico dal suolo, portando alla contaminazione degli alimenti e dei prodotti consumati dall'uomo. L'arsenico negli ambienti sotterranei può anche contaminare le acque sotterranee e altre fonti d'acqua sotterranee, il cui consumo a lungo termine può causare gravi problemi di salute. Come tale, sviluppo accurato, efficace, e sensori di arsenico di facile implementazione è importante per proteggere sia l'industria agricola che la più ampia sicurezza ambientale.

Questi nuovi nanosensori ottici sviluppati da SMART DiSTAP mostrano cambiamenti nella loro intensità di fluorescenza al rilevamento dell'arsenico. Incorporato nei tessuti vegetali senza effetti dannosi sulla pianta, questi sensori forniscono un modo non distruttivo per monitorare la dinamica interna dell'arsenico assorbito dalle piante dal suolo. Questa integrazione di nanosensori ottici all'interno di piante viventi consente la conversione delle piante in rilevatori autoalimentati di arsenico dal loro ambiente naturale, segnando un significativo miglioramento rispetto ai metodi di campionamento dell'arsenico ad alta intensità di tempo e attrezzature degli attuali metodi convenzionali.

L'autore principale, il dott. Tedrick Thomas Salim Lew, ha affermato:"Il nostro nanosensore a base vegetale è noto non solo per essere il primo del suo genere, ma anche per i notevoli vantaggi che conferisce rispetto ai metodi convenzionali di misurazione dei livelli di arsenico nell'ambiente sotterraneo, richiedendo meno tempo, attrezzatura, e manodopera. Prevediamo che questa innovazione vedrà alla fine un ampio utilizzo nel settore agricolo e oltre. Sono grato a SMART DiSTAP e al Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), entrambi sono stati strumentali nella generazione di idee, discussione scientifica e finanziamenti per la ricerca per questo lavoro."

Oltre a rilevare l'arsenico nel riso e negli spinaci, il team ha utilizzato anche una specie di felce, Pteris cretica, che può iperaccumulare l'arsenico. Questa specie di felce può assorbire e tollerare alti livelli di arsenico senza alcun effetto dannoso, progettando un rilevatore di arsenico a base vegetale ultrasensibile, in grado di rilevare concentrazioni molto basse di arsenico, fino a 0,2 parti per miliardo (ppb). In contrasto, il limite regolamentare per i rilevatori di arsenico è di 10 parti per miliardo. In particolare, i nuovi nanosensori possono essere integrati anche in altre specie di piante. Questa è la prima dimostrazione di successo di sensori per l'arsenico basati su piante viventi e rappresenta un progresso rivoluzionario che potrebbe rivelarsi molto utile sia nella ricerca agricola (ad esempio per monitorare l'arsenico assorbito dalle colture commestibili per la sicurezza alimentare), nonché in generale il monitoraggio ambientale.

In precedenza, i metodi convenzionali di misurazione dei livelli di arsenico includevano il campionamento regolare sul campo, digestione dei tessuti vegetali, estrazione e analisi mediante spettrometria di massa. Questi metodi richiedono molto tempo, richiedono un ampio trattamento del campione, e spesso comportano l'utilizzo di strumentazione ingombrante e costosa. Il nuovo metodo di SMART DiSTAP di accoppiamento dei sensori di nanoparticelle con la capacità naturale delle piante di estrarre in modo efficiente gli analiti attraverso le radici e trasportarli consente il rilevamento dell'assorbimento di arsenico nelle piante viventi in tempo reale con dispositivi portatili, elettronica poco costosa, come una piattaforma portatile Raspberry Pi dotata di una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD), simile a una fotocamera per smartphone.

Coautore, DiSTAP co-responsabile investigatore principale, e il professore del MIT Michael Strano ha aggiunto, "Questo è uno sviluppo estremamente eccitante, come, per la prima volta, abbiamo sviluppato un sensore nanobionico in grado di rilevare l'arsenico, un grave contaminante ambientale e una potenziale minaccia per la salute pubblica. Con i suoi innumerevoli vantaggi rispetto ai vecchi metodi di rilevamento dell'arsenico, questo nuovo sensore potrebbe essere un punto di svolta, in quanto non solo è più efficiente in termini di tempo, ma anche più accurato e più facile da implementare rispetto ai metodi precedenti. Aiuterà anche gli scienziati delle piante in organizzazioni come TLL a produrre ulteriormente colture che resistono all'assorbimento di elementi tossici. Ispirato dai recenti sforzi di TLL per creare colture di riso che assorbono meno arsenico, questo lavoro è uno sforzo parallelo per supportare ulteriormente gli sforzi di SMART DiSTAP nella ricerca sulla sicurezza alimentare, innovare e sviluppare costantemente nuove capacità tecnologiche per migliorare la qualità e la sicurezza alimentare di Singapore."