MIT 연구원, 식물의 실시간 철 모니터링을 위한 나노센서 공개

매사추세츠 공과대학, 매사추세츠주 케임브리지

DiSTAP 연구진은 식물의 철분을 신속하게 감지하고 모니터링하여 정밀 농업과 지속 가능한 작물 관리를 가능하게 하는 센서를 개발했습니다. (이미지 :SMART DiSTAP 제공)

싱가포르에 있는 MIT의 연구 기업인 싱가포르-MIT 연구 기술 연합(SMART)의 농업 정밀성을 위한 파괴적이고 지속 가능한 기술(DiSTAP) 학제간 연구 그룹의 연구원들은 테마섹 생명 과학 연구소(TLL) 및 MIT와 협력하여 살아있는 식물에서 철 형태(Fe(II)와 Fe(III))를 동시에 감지하고 구별할 수 있는 획기적인 근적외선(NIR) 형광 나노 센서를 개발했습니다.

철분은 식물 건강, 광합성, 호흡 및 효소 기능을 지원하는 데 중요합니다. 그것은 주로 식물이 쉽게 흡수하고 사용할 수 있는 Fe(II)와 식물이 효과적으로 활용하기 전에 먼저 Fe(II)로 전환되어야 하는 Fe(III)의 두 가지 형태로 존재합니다. 전통적인 방법은 총 철분만을 측정하므로 식물 영양의 핵심 요소인 철분 형태 간의 구별이 누락되었습니다. Fe(II)와 Fe(III)을 구별하면 철분 흡수 효율에 대한 통찰력을 얻을 수 있고, 결핍이나 독성을 진단하는 데 도움이 되며, 농업에서 정확한 시비 전략을 가능하게 하여 폐기물과 환경에 미치는 영향을 줄이면서 작물 생산성을 높일 수 있습니다.

SMART 연구진이 개발한 최초의 나노센서를 사용하면 철 흡수, 이동 및 다양한 형태 간의 변화를 실시간 비파괴적으로 모니터링할 수 있어 철 역학에 대한 정확하고 상세한 관찰이 가능합니다. 높은 공간 분해능 덕분에 식물 조직이나 세포 이하 구획에서 철분의 위치를 정확하게 파악할 수 있어 식물 내 철분 수준의 미세한 변화도 측정할 수 있습니다. 이러한 변화는 식물이 스트레스를 처리하고 영양분을 사용하는 방법을 알려줄 수 있습니다.

전통적인 검출 방법은 파괴적이거나 단일 형태의 철로 제한됩니다. 이 새로운 기술을 통해 결함을 진단하고 수정 전략을 최적화할 수 있습니다. 철분 섭취량이 부족하거나 과다한 것을 식별함으로써 식물 건강을 향상시키고 폐기물을 줄이며 보다 지속 가능한 농업을 지원하도록 조정할 수 있습니다. 나노센서는 시금치와 청경채에 대해 테스트되었지만 종에 구애받지 않으므로 유전자 변형 없이 다양한 식물 종에 적용할 수 있습니다. 이 기능은 다양한 생태학적 환경에서 철 역학에 대한 이해를 높여 식물 건강과 영양분 관리에 대한 포괄적인 통찰력을 제공합니다. 결과적으로 이는 기초 식물 연구와 농업 응용 분야 모두를 위한 귀중한 도구 역할을 하며 정밀한 영양 관리를 지원하고 비료 낭비를 줄이며 작물 건강을 개선합니다.

"철분은 식물 성장과 발달에 필수적이지만 식물 내 철분 수준을 모니터링하는 것은 어려운 일이었습니다. 이 획기적인 센서는 실시간 고해상도 이미징을 통해 살아있는 식물에서 Fe(II)와 Fe(III)를 모두 감지하는 최초의 제품입니다. 이 기술을 통해 우리는 식물이 적절한 양의 철분을 섭취하도록 보장하여 작물 건강과 농업 지속 가능성을 향상시킬 수 있습니다."라고 DiSTAP 연구 과학자이자 논문의 공동 저자인 Duc Thinh Khong이 말했습니다.

"식물의 철 종분화를 비파괴적으로 실시간 추적할 수 있는 이 센서는 식물의 철 대사와 식물에 대한 다양한 철 변이의 의미를 이해할 수 있는 새로운 길을 열어줍니다. 이러한 지식은 작물 수확량을 개선하고 보다 비용 효과적인 토양 시비 전략을 위한 맞춤형 관리 접근 방식을 개발하는 데 도움이 될 것입니다."라고 TLL 연구 과학자이자 논문의 공동 저자인 Grace Tan이 말했습니다.

최근 Nano Letters에 발표되고 "식물에서 시공간 감지를 허용하는 Fe(II) 및 Fe(III)용 나노센서"라는 제목으로 발표된 이 연구는 SMART DiSTAP과 MIT의 Strano Lab에서 개척한 CoPhMoRe(Coron Phase Molecular Recognition) 플랫폼을 활용하여 SMART DiSTAP의 식물 나노바이오닉에 대한 확립된 전문 지식을 기반으로 합니다. 새로운 나노센서는 음전하를 띤 형광 폴리머로 둘러싸인 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 특징으로 하며, Fe(II) 및 Fe(III)과 다르게 상호작용하는 나선형 코로나 상 구조를 형성합니다. 식물 조직에 도입되어 철과 상호 작용하면 센서는 철 유형에 따라 뚜렷한 NIR 형광 신호를 방출하여 철 이동과 화학적 변화를 실시간으로 추적할 수 있습니다.

CoPhMoRe 기술은 매우 선택적인 형광 반응을 개발하여 철 산화 상태를 정확하게 감지하는 데 사용되었습니다. SWNT의 NIR 형광은 우수한 감도, 선택성 및 조직 투명성을 제공하는 동시에 간섭을 최소화하여 기존 형광 센서보다 더 효과적입니다. 이 기능을 통해 연구원들은 NIR 이미징을 사용하여 실시간으로 철의 움직임과 화학적 변화를 추적할 수 있습니다.

"이 센서는 식물 대사, 영양분 이동 및 스트레스 반응을 연구하는 강력한 도구를 제공합니다. 이는 최적화된 비료 사용을 지원하고, 비용과 환경에 미치는 영향을 줄이며, 더 영양가 있는 작물, 더 나은 식량 안보 및 지속 가능한 농업 관행에 기여합니다."라고 TLL 수석 수석 연구원, DiSTAP 수석 연구원, 싱가포르 국립대학교 겸임 조교수이자 논문의 공동 교신 저자인 Daisuke Urano 교수가 말했습니다.

"이 센서 세트는 식물의 중요한 신호 유형과 식물이 엽록소를 만드는 데 필요한 중요한 영양소에 접근할 수 있게 해줍니다. 이 새로운 도구는 농부가 영양 결핍을 감지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 식물 내의 특정 메시지에 접근할 수 있게 해줍니다. 이는 성장 환경에 대한 식물의 반응을 이해하는 능력을 확장합니다."라고 DiSTAP 공동 수석 연구원이자 MIT 화학 공학과 Carbon P. Dubbs 교수이자 이번 연구의 공동 교신 저자인 Michael Strano 교수는 말했습니다. 종이.

농업 외에도 이 나노센서는 환경 모니터링, 식품 안전 및 건강 과학, 특히 인간과 동물의 철분 대사, 철분 결핍 및 철 관련 질병 연구에 대한 가능성을 갖고 있습니다. 향후 연구는 이 나노센서를 활용하여 철분 항상성, 영양소 신호 전달 및 산화환원 역학에 대한 기본적인 식물 연구를 발전시키는 데 중점을 둘 것입니다. 나노센서를 수경재배 및 토양 기반 농업을 위한 자동화된 영양 관리 시스템에 통합하고 기타 필수 미량 영양소를 감지하기 위한 기능을 확장하려는 노력도 진행 중입니다. 이러한 발전은 농업의 지속 가능성, 정확성 및 효율성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

자세한 내용은 Clement Foo에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.