工程师为工厂开发精密注塑系统

尽管人类世界正受到一场大流行的影响，但仍有几场正在发生的流行病影响着农作物，并将全球粮食生产置于危险之中。橘子、橄榄和香蕉已经在许多地区受到威胁，因为这些疾病会影响植物的循环系统，而且不能通过使用杀虫剂来治疗。

麻省理工学院的工程师们开发的一种新方法可能为拯救被这类疾病蹂躏的植物提供一个起点。

这些疾病很难早期发现和治疗，因为缺乏精确的工具来获取植物血管系统来治疗病原体和生物标志物样本。麻省理工学院的研究小组决定采用精准医疗中涉及到的一些原理，并将其应用于开发植物特异性生物材料和药物输送装置。

该方法使用由丝质生物材料制成的微针阵列，将营养物质、药物或其他分子输送到植物的特定部位。麻省理工学院教授Benedetto Marelli和jingke – weng、研究生曹云腾、麻省理工学院博士后Eugene Lim和怀特黑德生物医学研究所博士后徐梦龙在《先进科学》杂志上发表了他们的研究成果。

微,研究者称之为phytoinjectors,可以制造各种各样的大小和形状,并能提供材料具体植物的根,茎,叶,或进入木质部(维管组织参与水路运输从根到树冠)或韧皮部(循环代谢产物在植物的维管组织)。在实验室测试中，研究小组使用了番茄和烟草植物，但他们说，该系统几乎适用于任何作物。微针不仅可以将分子的目标载荷传送到植物中，还可以用来从植物中提取样本进行实验室分析。

马莱尔利说，这项工作是应美国农业部的要求开始的，目的是寻求解决柑橘绿化危机的办法。柑橘绿化危机正威胁着一个价值90亿美元的产业的崩溃。这种疾病是由一种叫做亚洲柑桔木虱的昆虫传播的，这种昆虫携带一种细菌进入植物。目前还没有治愈的方法，美国数百万英亩的果园已经遭到破坏。作为回应，马莱尔利的实验室开始着手开发新的微针技术，这项技术由曹领导，是他的论文项目。

Marelli解释说，这种病会感染整个植物的韧皮部，包括根部，用任何传统的治疗方法都很难到达根部。大多数农药只是简单地喷洒或涂在植物的叶子或茎干上，很少甚至没有渗透到根部系统。这样的治疗可能在短时间内有效，但随后细菌会反弹并造成伤害。我们所需要的是一种可以针对在植物组织中循环的韧皮部的物质，它可以携带一种抗菌化合物到根部。他说，这正是某些版本的新型微针可能达到的效果。

曹补充说:“我们想要解决的技术问题是，如何能够精确地接触到植物的脉管系统。”这将使研究人员能够注射农药，例如，在根系统和叶子之间运输的农药。他说，目前的方法使用的针头“非常大，侵入性非常强，会导致对植物的破坏。”为了找到替代品，他们在之前的研究基础上，利用丝质材料制造了微针，用于注射人类疫苗。

Lim说:“我们发现，一种设计用于人类给药的材料对植物的适应性并不简单，这不仅是由于组织脉管系统的不同，也由于液体成分的不同。”设计用于人体的微针本来是要在人体的水分中自然地进行生物降解的，但植物的水分要少得多，所以这种材料不会溶解，也无法将农药或其他大分子输送到韧皮部。研究人员不得不设计一种新材料，但他们决定以丝绸为基础。这是因为蚕丝的强度，它在植物中的惰性(防止不良的副作用)，以及它降解成微小颗粒的事实，不会有堵塞植物内部血管系统的风险。

他们使用生物技术工具来增加蚕丝的亲水性(使其吸引水)，同时保持材料足够坚固，穿透植物的表皮，并进行足够的降解，以避开阻碍。

果不其然，他们在实验室的番茄和烟草上测试了这种材料，能够观察到注入的材料，在这种情况下是荧光分子，它们通过植物从根到叶的所有路径移动。

“我们认为这是一种新的工具，可以被植物生物学家和生物工程师用来更好地理解植物中的运输现象，”曹说。此外，它可以用来“将有效载荷输送到工厂，这可以解决几个问题。”例如，你可以考虑提供微量营养素，或者你可以考虑提供基因，来改变植物的基因表达，或者基本上改造一种植物。”

“现在，实验室对植物注射剂的兴趣已经从抗生素给药扩展到基因工程和现场诊断，”Lim补充道。

例如，在他们对烟草植物的实验中，他们能够注入一种名为农杆菌的生物来改变植物的DNA——这是一种典型的生物工程工具，但以一种新的、精确的方式传递。

到目前为止，这是一项使用精密设备的实验室技术，因此，以目前的形式，它在农业规模的应用中不会有用，但希望是，它可以用于，例如，生物工程的抗病品种的重要农作物。该团队还使用安装在小型无人机上的改良玩具飞镖枪进行了测试，这种无人机能够将微针射入野外的植物。Marelli说，最终，这一过程可能会在自动驾驶汽车上实现自动化，用于农业规模的应用。

与此同时，该小组继续努力使该系统适应不同种类的植物及其组织的不同需要和条件。Marelli说:“它们之间真的有很多不同之处，”所以你需要考虑拥有植物专用的设备。在未来，我们的研究兴趣将超越抗生素的使用，转向基因工程和基于代谢物采样的现场诊断。”

这项工作得到了海军研究办公室、国家科学基金会和凯克基金会的支持。