Dünya, insanlar üzerinde korkunç boyutlarda etki eden bir pandemiyle sarsılırken; ne yazık ki bitkileri etkileyen ve küresel gıda üretimini riske atan birkaç salgın daha var. Portakal, zeytin ve muz gibi bitkilerin dolaşım sistemlerini etkileyen ve pestisit uygulanarak tedavi edilemeyen hastalıklar nedeniyle zaten birçok alanda tehdit altındadır.
MIT’deki mühendisler tarafından geliştirilen yeni bir yöntem; bu tür hastalıkların tahrip edilen bitkilere hayat kurtarıcı tedaviler sunmak için bir başlangıç noktası sunabilir.
Patojenleri tedavi etmek, biyobelirteçleri örneklemek ve bitki damar sistemine erişmek için hassas araçların bulunmaması nedeniyle, bu hastalıkların erken teşhis edilmesi ve tedavi edilmesi zordur. MIT ekibi, insanlar için hassas tıpta yer alan bazı prensipleri almaya ve bunları tesise özgü biyomalzemeler ve ilaç cihazları geliştirerek, adapte etmeye karar verdi.
Yöntem; bitkinin belirli kısımlarına besin maddeleri, ilaçlar veya diğer molekülleri iletmek için ipek bazlı bir biyomateryalden yapılmış bir dizi mikro iğne kullanır.
Araştırmacıların fitoinjektörler olarak adlandırdığı mikroiğneler; çeşitli boyutlarda ve şekillerde yapılabilir ve özellikle bir bitkinin köklerine, gövdelerine, yapraklarına veya ksilerine (köklerden su taşınmasına katılan vasküler doku) veya floemine (bitki boyunca metabolitleri dolaştıran vasküler doku) ulaşabilir. Laboratuvar testlerinde, ekip; domates ve tütün bitkileri kullandı, ancak sistemin hemen hemen her ürüne uyarlanabileceğini söylüyorlar. Mikroiğneler, bitkiye hedeflenen molekül yüklerini iletmekle kalmaz, aynı zamanda laboratuvar analizi için bitkilerden numune almak için de kullanılabilir.
Araştırmacı Marelli: ”Hastalık, bitkiye bir bakteri taşıyan Asya narenciye psyllidi adlı bir böcek tarafından yayılır. Ayrıca herhangi bir geleneksel tedaviyle ulaşılması çok zor olan kökler de dahil olmak üzere tüm bitkinin phloemini enfekte eder. Çoğu böcek ilacı basitçe, bir bitkinin yapraklarına veya saplarına püskürtüldüğünde ya da boyandığında ve kök sistemine nüfuz ettiğinde yeterli değildir. Bu tür tedaviler kısa bir süre işe yarayabilir, ancak daha sonra bakteriler geri seker ve hasarlarını oluşturur. İhtiyaç duyulan şey, bir bitkinin dokularında dolaşan ve antibakteriyel bir bileşiği köklere taşıyabilen phloem’i hedefleyebilen bir şeydir. Bu yüzden yeni mikroiğnelerin bazı versiyonlarının potansiyel olarak başarabileceğini öngördük.”
Araştırmacı Cao: “Bitki damar sistemine nasıl hassas bir şekilde erişebileceğinize dair teknik sorunu çözmek istedik.”
Bu; araştırmacıların, örneğin, kök sistemi ve yapraklar arasında taşınacak olan pestisitleri enjekte etmelerine izin verecektir. Mevcut yaklaşımlar “çok büyük ve çok invaziv olan ve bitkiye zarar veren iğneler” kullanmaktadır. Bir yedek bulmak için, insan aşılarını enjekte etmek için ipek bazlı malzeme kullanarak mikroiğneler üreten önceki çalışmaları üzerine inşa ettiler.
Araştırmacı Lim: “İnsanlarda bitkilere ilaç dağıtımı için tasarlanan bir materyalin; bitkilere adaptasyonunun, sadece doku damar sisteminde değil, aynı zamanda sıvı bileşimindeki farklılıklardan dolayı basit olmadığını gördük.”
İnsan kullanımı için tasarlanan mikroiğnelerin vücudun neminde doğal ve biyolojik olarak parçalanması amaçlanmıştır. Ancak bitkiler çok daha az kullanılabilir suya sahiptir. Bu nedenle malzeme çözünmez ve pestisit veya diğer makromoleküllerin floraya iletilmesi için yararlı değildir. Araştırmacılar yeni bir malzeme tasarlamak zorunda kaldılar, ancak temel olarak ipekle çalışmaya karar verdiler. Bunun nedeni, ipliğin gücü; bitkilerdeki etkisizliği (istenmeyen yan etkileri önleme) ve bitkinin iç damar sistemlerini tıkama riski olmayan küçük parçacıklara ayrılmasıdır.
Malzemenin bitkinin epidermisine nüfuz edecek kadar güçlü ve daha sonra yoldan çıkacak kadar bozunmasını sağlarken, ipek hidrofilikliğini arttırmak için biyoteknoloji araçlarını kullandılar. (Böylece su çekmesini sağladılar).
Tabii ki, materyali laboratuvar domatesleri ve tütün bitkileri üzerinde test ettiler ve enjekte edilen materyalleri (bu durumda floresan molekülleri) bitki boyunca köklerinden yapraklara doğru hareket ederek gözlemleyebildiler.
Araştırmacı Cao: “Bunun, bitki biyologları ve biyomühendisler tarafından bitkilerdeki nakliye olaylarını daha iyi anlamak için kullanılabilecek yeni bir araç olduğunu düşünüyoruz. Yükleri (payload) bitkilere ulaştırmak için kullanılabilir ve bu çeşitli problemleri çözebilir. Örneğin, mikro besinleri vermeyi düşünebilir veya genleri vermeyi, bitkinin gen ekspresyonunu değiştirmeyi veya temelde bir bitkiyi tasarlamayı düşünebilirsiniz.”
Araştırmacı Lim: “Şimdi, fitoinjektörler için laboratuvarın çıkarları genetik mühendisliğine ve bakım noktası teşhisine antibiyotik verilmesinin ötesine geçmiştir.”
Örneğin, tütün bitkileri ile yaptıkları deneylerde, bitkinin DNA’sını değiştirmek için Agrobacterium adlı bir organizmayı enjekte edebildiler.
Şimdiye kadar, bu; hassas ekipman kullanan bir laboratuvar tekniğidir. Bu nedenle mevcut haliyle tarımsal ölçekli uygulamalar için yararlı olmayacaktır. Ancak öngörülen, örneğin önemli mahsulün hastalığa karşı dirençli çeşitleri için kullanılabilmesidir. Ekip ayrıca; mikroiğneleri tarladaki bitkilere ateşleyebilen küçük bir drone’a monte edilmiş modifiye oyuncak dart tabancası kullanarak, testler yaptı.
Marelli, böyle bir işlemin otonom araçlar kullanılarak otomatikleştirilebileceğini söylüyor.
Bu arada ekip; sistemi farklı bitki ve doku çeşitlerinin farklı ihtiyaçlarına ve koşullarına uyarlamak için çalışmaya devam ediyor.
Araştırmacı Marelli: “Aralarında gerçekten çok fazla varyasyon var. Bu yüzden bitkiye özgü cihazlara sahip olmayı düşünmeniz gerekiyor. Gelecek için araştırma alanlarımız; genetik mühendisliğine antibiyotik verilmesinin ve metabolit örneklemesine dayalı bakım noktası teşhisinin ötesine geçecek.”
