研究小组开发植物纳米生物传感器可用来监测土壤中的砷含量

麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的跨学科研究小组（IRG）的科学家和来自颠覆性和可持续性农业精确技术（DiSTAP）的科学家设计了一部可以实时检测和监视地下环境中剧毒重金属砷水平的一种植物纳米生物光学传感器。与砷在环境中的常规测量方法相比，该技术具有显着的优势，并且对于环境监测和农业应用对维护食品安全都是重要的，因为砷是许多常见农产品（例如大米，蔬菜和茶叶）中的污染物。

 新型的基于植物的活体传感器将野生型植物与工程化的光学纳米传感器对接，能够检测低至十亿分之0.2的砷

 砷是对人类和生态系统有剧毒的重金属-据估计，稻米中的无机砷每年会导致50,000人过早死亡。

 这种新颖的方法可用于监测任何植物中的砷吸收，以及将任何非转基因植物转化为环境传感器以监测土壤中的砷含量，从而可用于农业研究和环境监测

 这些新型纳米传感器的读数可以通过便携式，廉价的电子产品（例如基于Raspberry Pi的平台）快速获得

最近在Advanced Materials上发表的题为“用于砷检测的植物纳米生物传感器”的论文中描述了这种新方法。该论文由麻省理工学院（MIT）的最新研究生Tedrick Thomas Salim Lew博士领导，由DiSTAP首席首席研究员Michael Strano和MIT的Carbon P. Dubbs教授合着。分别是麻省理工学院的研究生Minkyung Park和崔建桥。

砷及其化合物对人类和生态系统构成严重威胁。长期暴露于人类的砷会导致多种有害的健康影响，包括心血管疾病，例如心脏病发作，糖尿病，先天缺陷，严重的皮肤病变以及许多癌症，包括皮肤，膀胱癌和肺癌。人为活动（例如采矿和冶炼）导致土壤中砷含量升高，也对植物有害，抑制了其生长并导致大量农作物损失。更令人不安的是，粮食作物可以吸收土壤中的砷，导致粮食污染和人类消费的农产品。地下环境中的砷还可能污染地下水和其他地下水源，长期消耗砷会引起严重的健康问题。

由SMART DiSTAP开发的这些新型光学纳米传感器在检测到砷后，其荧光强度会发生变化。这些传感器嵌入植物组织中，对植物没有有害影响，提供了一种无损方式来监测植物从土壤吸收的砷的内部动态。光学纳米传感器在活植物中的这种集成使植物能够从其自然环境转化为自供电的砷检测器，这标志着从传统方法中费时和设备密集的砷采样方法的重大升级。

主要作者Tedrick Thomas Salim Lew博士说：“我们的基于植物的纳米传感器不仅是同类产品中的第一个，而且与传统的地下环境中砷水平测量方法相比，具有显着优势，所需时间更少，设备和人力。我们预想这项创新技术最终将在农业及其他领域得到广泛应用，我对SMART DiSTAP和淡马锡生命科学实验室（TLL）表示感谢，它们都有助于思想的产生，科学的讨论。以及这项工作的研究经费。”

除了检测大米和菠菜中的砷外，研究小组还使用了一种蕨类植物凤尾蕨（Pteris cretica），它可以使砷超富。这种蕨类植物可以吸收和耐受高水平的砷，而不会产生有害影响-设计一种基于植物的超灵敏砷检测器，能够检测出非常低的砷浓度，低至十亿分之0.2（ppb）。相比之下，砷探测器的法规限制为十亿分之十。值得注意的是，新型纳米传感器也可以整合到其他植物物种中。这是第一个成功的基于活植物的砷传感器的成功演示，代表了一项突破性的进步，可以证明在农业研究（例如监测食用作物吸收的砷以确保食品安全）以及一般环境监测中都非常有用。 。

以前，测量砷水平的常规方法包括常规田间采样，植物组织消化，质谱提取和分析。这些方法耗时，需要大量的样品处理，并且经常涉及使用笨重且昂贵的仪器。SMART DiSTAP的新颖方法将纳米传感器与植物的天然能力结合在一起，可以通过根部有效地提取分析物并将其运输，从而可以通过便携式廉价电子设备（例如便携式Raspberry Pi平台）实时检测活植物中的砷吸收量。配备了类似于智能手机相机的电荷耦合器件（CCD）相机。

共同作者，DiSTAP联合首席研究员和MIT教授Michael Strano补充说：“这是一个令人激动的发展，因为我们首次开发了一种可以检测砷的纳米仿生传感器-砷是一种严重的环境污染物和潜在的这种新型传感器具有比旧的砷检测方法无数的优势，因此它可以改变游戏规则，因为它不仅比旧的方法更省时，而且更准确，更易于部署，这也将有所帮助。 TLL等组织中的植物科学家进一步生产能够抵抗有毒元素吸收的农作物。受TLL最近努力创建砷含量低的水稻作物的启发，这项工作是进一步支持SMART DiSTAP在食品安全研究方面所做的努力，不断创新和开发新技术，以改善新加坡的食品质量和安全。”

该研究由SMART进行，并由新加坡国家研究基金会（NRF）在其卓越研究与技术企业校园（CREATE）计划的支持下进行。

 关于SMART用于农业精度的破坏性和可持续技术（DiSTAP）

DiSTAP是新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的五个跨学科研究小组（IRG）之一。DiSTAP计划通过开发一套具有影响力和新颖的分析，遗传和生物合成技术，解决了新加坡乃至全世界食品生产中的深层问题。目的是从根本上改变发现，监测，设计和最终转化植物生物合成途径的方式，以满足全球对食物和营养素的需求。来自麻省理工学院（MIT），淡马锡生命科学实验室（TLL），南洋理工大学（NTU）和新加坡国立大学（NUS）的科学家正在合作：开发新工具，以连续测量重要植物代谢物和荷尔蒙激素发现，以尚不可能的方式，尤其是在绿叶蔬菜的情况下，更深入地了解和控制植物的生物合成途径；利用这些新技术对具有全球食品安全性的植物进行工程改造，包括高产量密度的生产，抗旱和抗病原体以及高价值商业产品的生物合成；开发用于在与工业有关的微生物中生产疏水性食品成分的工具；开发新的微生物和酶促技术，以生产可以保护和/或促进叶菜类蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。利用这些新技术对具有全球食品安全性的植物进行工程改造，包括高产量密度的生产，抗旱和抗病原体以及高价值商业产品的生物合成；开发用于在与工业有关的微生物中生产疏水性食品成分的工具；开发新的微生物和酶促技术，以生产可以保护和/或促进叶菜类蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。利用这些新技术对具有全球食品安全性的植物进行工程改造，包括高产量密度的生产，抗旱和抗病原体以及高价值商业产品的生物合成；开发用于在与工业有关的微生物中生产疏水性食品成分的工具；开发新的微生物和酶促技术，以生产可以保护和/或促进叶菜类蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。开发新的微生物和酶促技术，以生产可以保护和/或促进叶菜类蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。开发新的微生物和酶促技术，以生产可以保护和/或促进叶菜类蔬菜生长的挥发性有机化合物；并将这些技术应用于改善城市农业。

SMART的DiSTAP IRG由MIT联合首席研究员Michael Strano教授和新加坡联合首席研究员Chua Nam Hai教授领导。

 关于新加坡－麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）

新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）是麻省理工学院在新加坡的研究企业，自2007年以来由麻省理工学院（MIT）与新加坡国家研究基金会（NRF）合作建立。SMART是该机构中的第一个实体。 NRF开发的卓越研究与技术型企业校园（CREATE）。SMART是MIT与新加坡之间进行研究互动的知识和创新中心。SMART开展了新加坡和麻省理工学院都感兴趣的前沿研究项目。SMART目前包括一个创新中心和六个跨学科研究小组（IRG）：抗菌素耐药性（AMR），生物系统和微力学（BioSyM），制造个性化医学的关键分析（CAMP），破坏性研究和 农业精度（DiSTAP），未来城市交通（FM）和低能耗电子系统（LEES）的可持续技术。SMART研究由新加坡国家研究基金会根据CREATE计划资助。