Cuando los agricultores aplican pesticidas a sus cultivos, entre el 30 % y el 50 % de los productos químicos acaban en el aire o el suelo en lugar de en las plantas.
por Zach Winn, Instituto Tecnológico de Massachusetts
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y Singapur ha desarrollado una forma mucho más precisa de administrar sustancias a las plantas: diminutas agujas de seda.
En un estudio publicado en Nature Nanotechnology , los investigadores desarrollaron una forma de producir grandes cantidades de estas microagujas huecas de seda. Las utilizaron para inyectar agroquímicos y nutrientes en las plantas y monitorear su salud.
«Existe una gran necesidad de mejorar la eficiencia de la agricultura», afirma Benedetto Marelli, autor principal del estudio y profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT. «Los agroquímicos son importantes para nuestro sistema alimentario, pero también son caros y tienen efectos secundarios ambientales, por lo que es fundamental administrarlos con precisión».
Yunteng Cao, Ph.D. ’22, actualmente estudiante de posdoctorado en la Universidad de Yale, y Doyoon Kim, ex estudiante de posdoctorado en el laboratorio de Marelli, dirigieron el estudio, que incluyó una colaboración con el grupo de investigación interdisciplinario Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) en la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART).
En demostraciones, el equipo utilizó la técnica para administrar hierro a las plantas para tratar una enfermedad conocida como clorosis y para añadir vitamina B12 a las plantas de tomate para aumentar su nutrición. Los investigadores también demostraron que las microagujas podrían utilizarse para monitorear la calidad de los fluidos que fluyen hacia las plantas y detectar la presencia de metales pesados en el suelo circundante.
En general, los investigadores creen que las microagujas podrían servir como un nuevo tipo de interfaz vegetal para el monitoreo de la salud en tiempo real y la biofortificación.
«Estas microagujas podrían ser una herramienta para que los científicos de plantas comprendan mejor la salud de las plantas y su crecimiento», afirma Marelli. «Pero también pueden utilizarse para añadir valor a los cultivos, haciéndolos más resilientes e incluso posiblemente aumentando su rendimiento».
El funcionamiento interno de las plantas
Acceder a los tejidos internos de las plantas vivas requiere que los científicos atraviesen su piel cerosa sin causarles demasiado estrés. En trabajos anteriores, los investigadores utilizaron microagujas de seda para administrar agroquímicos a las plantas en entornos de laboratorio y detectar cambios de pH en plantas vivas . Sin embargo, estos esfuerzos iniciales implicaban cargas pequeñas, lo que limitaba sus aplicaciones en la agricultura comercial.
«Las microagujas se desarrollaron originalmente para la administración de vacunas u otros medicamentos en humanos», explica Marelli. «Ahora las hemos adaptado para que la tecnología funcione con plantas, pero inicialmente no pudimos administrar dosis suficientes de agroquímicos y nutrientes para mitigar los factores de estrés o mejorar el valor nutricional de los cultivos».
Las estructuras huecas podrían aumentar la cantidad de sustancias químicas que pueden suministrar las microagujas, pero Marelli dice que crear esas estructuras a escala históricamente ha requerido salas limpias e instalaciones costosas como las que se encuentran dentro del edificio MIT.nano.
Para este estudio, Cao y Kim crearon una nueva forma de fabricar microagujas de seda huecas combinando la proteína de fibroína de seda con una solución salina dentro de diminutos moldes cónicos. Al evaporarse el agua de la solución, la seda se solidificó en el molde, mientras que la sal formó estructuras cristalinas en su interior. Al retirar la sal, esta dejó en cada aguja una estructura hueca o pequeños poros, según la concentración de sal y la separación de las fases orgánica e inorgánica.
«Es un proceso de fabricación bastante sencillo. Se puede realizar fuera de una sala limpia; incluso en la cocina, si se desea», dice Kim. «No requiere maquinaria costosa».
Los investigadores probaron la capacidad de sus microagujas para suministrar hierro a plantas de tomate con deficiencia de hierro , lo cual puede causar una enfermedad conocida como clorosis. La clorosis puede reducir la producción, pero tratarla mediante pulverización de cultivos es ineficiente y puede tener efectos secundarios ambientales. Los investigadores demostraron que sus microagujas huecas podrían utilizarse para la administración sostenida de hierro sin dañar las plantas.
Los investigadores también demostraron que sus microagujas podrían utilizarse para fortificar los cultivos durante su crecimiento. Históricamente, los esfuerzos de fortificación de cultivos se han centrado en minerales como el zinc o el hierro, y las vitaminas solo se añaden después de la cosecha.
En cada caso, los investigadores aplicaron las microagujas a los tallos de las plantas a mano, pero Marelli prevé equipar vehículos autónomos y otros equipos ya utilizados en granjas para automatizar y escalar el proceso.
Como parte del estudio, los investigadores utilizaron microagujas para administrar vitamina B12, presente principalmente de forma natural en productos animales, a los tallos de tomates en crecimiento, demostrando que la vitamina B12 se trasladó a los frutos antes de la cosecha. Los investigadores proponen que su método podría utilizarse para enriquecer más plantas con esta vitamina.
El coautor Daisuke Urano, científico vegetal de DiSTAP, explica que «a través de una evaluación exhaustiva, demostramos efectos adversos mínimos de las inyecciones de microagujas en las plantas, sin impactos negativos observados a corto o largo plazo».
«Este nuevo mecanismo de entrega abre muchas aplicaciones potenciales, por lo que queríamos hacer algo que nadie había hecho antes», explica Marelli.
Finalmente, los investigadores exploraron el uso de sus microagujas para monitorear la salud de las plantas mediante el estudio de tomates cultivados en soluciones hidropónicas contaminadas con cadmio, un metal tóxico común en granjas cercanas a zonas industriales y mineras. Demostraron que sus microagujas absorbieron la toxina en 15 minutos tras ser inyectadas en los tallos de los tomates, lo que ofrece una vía para una detección rápida.
Las técnicas avanzadas actuales para monitorear la salud de las plantas, como los análisis colorimétricos e hiperespectrales de plomo, solo pueden detectar problemas cuando el crecimiento de la planta ya se encuentra afectado. Otros métodos, como el muestreo de savia, pueden requerir demasiado tiempo.
Las microagujas, en cambio, podrían utilizarse para recolectar savia con mayor facilidad para análisis químicos continuos. Por ejemplo, los investigadores demostraron que podían monitorear los niveles de cadmio en tomates durante 18 horas.
Una nueva plataforma para la agricultura
Los investigadores creen que las microagujas podrían utilizarse para complementar prácticas agrícolas existentes, como la pulverización. También señalan que la tecnología tiene aplicaciones más allá de la agricultura, como en la ingeniería biomédica.
«Esta nueva técnica de fabricación de microagujas poliméricas también puede beneficiar la investigación en la administración transdérmica e intradérmica de fármacos mediante microagujas y el monitoreo de la salud», dice Cao.
Por ahora, sin embargo, Marelli cree que las microagujas ofrecen un camino hacia prácticas agrícolas más precisas y sostenibles.
«Queremos maximizar el crecimiento de las plantas sin afectar negativamente la salud de la explotación agrícola ni la biodiversidad de los ecosistemas circundantes», afirma Marelli. «No debería haber un equilibrio entre la industria agrícola y el medio ambiente. Deberían trabajar juntos».
Más información: Yunteng Cao et al., Nanofabricación de microagujas de seda para la administración de micronutrientes de alto rendimiento y la monitorización continua de la savia en plantas, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01923-2
