Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia criaram um ambiente miniaturizado para estudar o ecossistema em torno das raízes dos álamos para obter informações sobre a saúde das plantas e o sequestro de carbono do solo.
A plataforma rhizosphere-on-a-chip baseia-se na história do laboratório de construção de dispositivos lab-on-a-chip, nos quais minúsculos canais e câmaras são gravados em uma lâmina de microscópio para que os fluidos possam ser introduzidos e estudados para pesquisa de separações bioquímicas e teste.

Neste caso, os cientistas estão imitando o solo no chip, brotando árvores de álamo no fluido e estudando o ambiente ao redor de suas raízes, conhecido como rizosfera. Os cientistas observam como os micróbios estão interagindo com produtos químicos dentro do solo artificial para influenciar a saúde das plantas e obter uma melhor compreensão dos processos que regem o armazenamento de carbono.

A rizosfera é um dos sistemas mais complexos do mundo, no qual as raízes das plantas absorvem água e nutrientes, criam um ambiente físico e biogeoquímico único para os micróbios e emitem carbono atmosférico no solo. Pode haver centenas de bactérias diferentes que crescem perto das raízes das plantas ou são influenciadas pela rizosfera. Os pesquisadores do ORNL estão particularmente interessados ​​em como micróbios como bactérias e fungos interagem com as raízes das plantas para ajudar as plantas a crescer mais rápido e sobreviver a ameaças como secas, incêndios florestais, doenças e pragas.

"É muito difícil ver o interior do solo para observar esses processos, pois as partículas são muito escuras", disse Jack Cahill, da Divisão de Biociências do ORNL.

O Rhizosphere-on-a-chip permite que os pesquisadores criem sistemas modelo e, em seguida, usem técnicas como espectrometria de massa para identificar produtos químicos e sua distribuição em torno das raízes das plantas. Esse conhecimento informa uma análise de interações químicas no ecossistema, como sinais químicos de plantas para atrair ou repelir micróbios. O uso do sistema de chip também conserva as amostras, removendo apenas uma pequena quantidade do líquido da plataforma e permitindo que as plantas continuem crescendo.

Preparando a mesa para a ciência

"Usando espectrometria de massa, somos capazes de escutar a conversa entre esses sistemas vivos de plantas, fungos e micróbios para descobrir como e por que eles fazem as coisas malucas que fazem", disse Scott Retterer, que dirige a Seção de Síntese de Nanomateriais da O ORNL e co-desenvolveu a plataforma usando as instalações de nanofabricação do Centro de Ciências de Materiais Nanofases, uma instalação do usuário do Escritório de Ciências do DOE no ORNL.

"Eu o descrevo como um aquário chique", disse Retterer. "Exceto que nosso aquário é do tamanho de uma lâmina de microscópio, e as ferramentas que usamos para moldar esse ambiente são os mesmos tipos de ferramentas que a Intel usa para fazer microchips. Então damos um jantar no aquário para bactérias, plantas e fungos. arrume a mesa com comida e veja como isso influencia a festa."

Os cientistas do ORNL que usam a plataforma descobriram, por exemplo, altas concentrações de aminoácidos muito próximas às raízes das plantas – um fenômeno que antes não era visto. Embora se pensasse que esses compostos se movem e se diluem na estrutura do solo, esse não é o caso, disse Cahill.

“A dinâmica de fluidos nesses sistemas de chip é confinada, então nos permite ver concentrações de moléculas que você não necessariamente anteciparia sem poder medi-lo diretamente usando a plataforma do chip”, acrescentou.

Obtendo insights para plantas melhores

Para a pesquisa de bioenergia do ORNL, o impacto é "uma melhor compreensão de como plantas, micróbios e seus estados químicos se relacionam. Se pudermos prever e controlar isso, podemos usar esse conhecimento para desenvolver plantas que sejam resistentes ao meio ambiente, que cresçam mais rápido , são mais baratos de produzir e, portanto, mais adequados para a produção econômica de biocombustíveis sustentáveis", disse Cahill.

As técnicas de imagem espacial desenvolvidas pelos pesquisadores do ORNL também podem ser usadas para pesquisas farmacológicas para determinar se os compostos de drogas estão efetivamente atingindo e sendo absorvidos pelo corpo humano como parte de seus experimentos de "tumor em um chip", o que poderia substituir testes semelhantes Em ratos.

“As grandes ferramentas científicas que temos aqui no laboratório nacional e as interações fortuitas com cientistas de todas as esferas são realmente o que nos impulsiona no desenvolvimento dessas novas plataformas de pesquisa”, disse Retterer. "É como um grande banquete científico onde você traz seu prato favorito e o divide. Todos eles se misturam no prato e, de repente, temos essa grande rizosfera em um chip."

Retterer também enfatizou o papel das equipes de pesquisa, que "trazem essas grandes ideias para a vida. São nossos técnicos, pós-doutorandos e estudantes que tornam a pesquisa interdisciplinar possível".

A pesquisa é publicada no Lab on a Chip . Os colegas que trabalham no projeto no ORNL incluem Jennifer Morrell-Falvey, Muneeba Khalid, Courtney Walton, Sara Jawdy e Amber Webb. Jayde Aufrecht co-desenvolveu a plataforma como estudante de pós-graduação no ORNL e agora trabalha no Pacific Northwest National Laboratory, onde continua a colaborar na pesquisa. + Explorar mais

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