Pesquisadores da SMART DiSTAP desenvolveram o primeiro nanossensor fluorescente de infravermelho próximo do mundo, capaz de monitorar o principal hormônio de crescimento de uma planta em tempo real e sem prejudicá-la.

Pesquisadores do  grupo de pesquisa interdisciplinar Tecnologias Disruptivas e Sustentáveis para Precisão Agrícola (DiSTAP), dentro da Aliança para Pesquisa e Tecnologia Singapura-MIT, desenvolveram o primeiro nanossensor fluorescente de infravermelho próximo do mundo, capaz de detecção em tempo real, não destrutiva e independente de espécie de ácido indol-3-acético (IAA) — o principal hormônio auxina bioativo que controla a maneira como as plantas se desenvolvem, crescem e respondem ao estresse.

As auxinas, em particular o AIA, desempenham um papel central na regulação de processos-chave nas plantas, como divisão celular, alongamento, desenvolvimento de raízes e brotos, e na resposta a estímulos ambientais como luz, calor e seca. Fatores externos como a luz afetam a movimentação da auxina dentro da planta, a temperatura influencia a quantidade produzida e a falta de água pode perturbar o equilíbrio hormonal. Quando as plantas não conseguem regular as auxinas de forma eficaz, podem não crescer bem, adaptar-se a condições variáveis ou produzir tanto alimento. 

Os métodos existentes de detecção de AIA, como a cromatografia líquida, exigem a coleta de amostras da própria planta — o que danifica ou remove parte dela. Os métodos convencionais também medem os efeitos do AIA em vez de detectá-lo diretamente, e não podem ser usados universalmente em diferentes tipos de plantas. Além disso, como os AIA são moléculas pequenas que não podem ser facilmente rastreadas em tempo real, biossensores contendo proteínas fluorescentes precisam ser inseridos no genoma da planta para medir a auxina, fazendo com que ela emita um sinal fluorescente para imagens ao vivo.

O nanossensor recém-desenvolvido pela SMART permite o rastreamento direto e em tempo real dos níveis de auxina em plantas vivas com alta precisão. O sensor utiliza imagens no infravermelho próximo para monitorar as flutuações do AIA de forma não invasiva em tecidos como folhas, raízes e cotilédones, e é capaz de contornar a interferência da clorofila para garantir leituras altamente confiáveis, mesmo em tecidos densamente pigmentados. A tecnologia não requer modificação genética e pode ser integrada aos sistemas agrícolas existentes, oferecendo uma ferramenta de precisão escalável para avançar tanto na otimização de culturas quanto na pesquisa fundamental em fisiologia vegetal. 

Ao fornecer medições precisas de auxina em tempo real, o sensor capacita os agricultores com insights mais precisos e antecipados sobre a saúde das plantas. Com esses insights e dados abrangentes, os agricultores podem tomar decisões mais inteligentes e baseadas em dados sobre irrigação, fornecimento de nutrientes e poda, adaptadas às necessidades reais da planta — melhorando, em última análise, o crescimento da cultura, aumentando a resiliência ao estresse e aumentando a produtividade.

“Precisamos de novas tecnologias para abordar os problemas de insegurança alimentar e mudanças climáticas em todo o mundo. A auxina é um sinal central de crescimento em plantas vivas, e este trabalho nos oferece uma maneira de explorá-la para fornecer novas informações a agricultores e pesquisadores”, afirma Michael Strano, co-pesquisador principal do DiSTAP, Professor Carbon P. Dubbs de Engenharia Química no MIT e coautor correspondente do artigo. “As aplicações são muitas, incluindo a detecção precoce do estresse nas plantas, permitindo intervenções oportunas para proteger as culturas. Para fazendas urbanas e internas, onde a luz, a água e os nutrientes já são rigorosamente controlados, este sensor pode ser uma ferramenta valiosa para ajustar as condições de crescimento com ainda mais precisão, otimizando o rendimento e a sustentabilidade.”

A equipe de pesquisa documentou o desenvolvimento do nanossensor em um artigo intitulado " Um Nanossensor Fluorescente no Infravermelho Próximo para Medição Direta e em Tempo Real de Ácido Indol-3-Acético em Plantas ", publicado no periódico  ACS Nano . O sensor é composto por nanotubos de carbono de parede única envoltos em um polímero especialmente projetado, o que permite detectar IAA por meio de mudanças na intensidade da fluorescência no infravermelho próximo. Testado com sucesso em diversas espécies, incluindo  Arabidopsis ,  Nicotiana benthamiana , choy sum e espinafre, o nanossensor pode mapear as respostas do IAA em diversas condições ambientais, como sombra, pouca luz e estresse por calor. 

“Este sensor se baseia no trabalho contínuo do DiSTAP em nanotecnologia e na técnica CoPhMoRe, que já foi usada para desenvolver outros sensores capazes de detectar compostos vegetais importantes, como giberelinas e peróxido de hidrogênio. Ao adaptar essa abordagem para IAA, estamos expandindo nosso inventário de ferramentas novas, precisas e não destrutivas para monitorar a saúde das plantas. Eventualmente, esses sensores poderão ser multiplexados, ou combinados, para monitorar um espectro de marcadores de crescimento vegetal, proporcionando insights mais completos sobre a fisiologia vegetal”, afirma Duc Thinh Khong, pesquisador científico do DiSTAP e coautor do artigo.

"Este pequeno, mas poderoso nanossensor aborda um desafio de longa data na agricultura: a necessidade de uma ferramenta universal, em tempo real e não invasiva para monitorar a saúde das plantas em diversas espécies. Nossa conquista colaborativa não apenas capacita pesquisadores e agricultores a otimizar as condições de crescimento e melhorar o rendimento e a resiliência das culturas, mas também avança nossa compreensão científica das vias hormonais e das interações planta-ambiente", afirma In-Cheol Jang, pesquisador principal sênior do TLL, pesquisador principal do DiSTAP e coautor correspondente do artigo.

Olhando para o futuro, a equipe de pesquisa busca combinar múltiplas plataformas de detecção para detectar simultaneamente IAA e seus metabólitos relacionados, criando um perfil abrangente de sinalização hormonal, oferecendo insights mais aprofundados sobre as respostas das plantas ao estresse e aprimorando a agricultura de precisão. A equipe também está trabalhando no uso de microagulhas para detecção altamente localizada e específica para cada tecido, e colaborando com parceiros da agricultura urbana industrial para traduzir a tecnologia em soluções práticas e prontas para o campo. 

A pesquisa foi realizada pela SMART e apoiada pela Fundação Nacional de Pesquisa de Singapura, por meio do programa Campus para Excelência em Pesquisa e Empreendimento Tecnológico. O nanossensor universal foi desenvolvido em colaboração com o Laboratório de Ciências Biológicas Temasek (TLL) e o MIT.