Cada año, los agricultores estadounidenses pierden hasta el 12 por ciento de sus cultivos por enfermedades y otro 12 por ciento por plagas. Las plantas enfermas representan miles de millones de dólares en ganancias perdidas en la industria agrícola.
El problema es que las enfermedades de las plantas son difíciles de detectar antes de que sea demasiado tarde. Con el tiempo hay síntomas visibles (hojas marchitas, por ejemplo, o decoloración), la enfermedad ha avanzado lo suficiente como para no ser tratable.
Pero las plantas informan a sus alrededores cuando están enfermas o bajo ataque, pero no de una manera que hayamos podido entender en tiempo real, hasta ahora. Un equipo de ingenieros dirigido por Gary McMurray, jefe de división de tecnología de procesamiento de alimentos en el Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech), ha desarrollado un método para monitorear y decodificar esos mensajes para permitir a los agricultores identificar y tratar enfermedades antes de que echen raíces. Su visión: brazos robóticos que capturan e identifican las señales de enfermedades naturales de las plantas sobre la marcha.
Todas las plantas producen señales naturales, en forma de compuestos orgánicos volátiles (COV), para alertar a los alrededores de lo que los está atacando. El sistema de McMurray captura esos compuestos usando una versión en miniatura de un cromatógrafo de gases (llamado micro GC). Los dispositivos, que se desarrollaron originalmente a principios del siglo XX, se utilizan para separar productos químicos dentro de muestras complejas; en el caso de McMurray, los gases que emite una planta. A medida que el gas se calienta y pasa a través de una columna, y un sensor electrónico detecta los compuestos que contiene la muestra.
No es necesario pellizcar o extraer muestras y llevarlas de vuelta al laboratorio para su análisis, un proceso que puede tardar días o semanas en completarse. Toda la información que necesita el micro GC está en el aire, lo que significa que tratar enfermedades o salvar plantas de ellas podría ser mucho más rápido.
Las aplicaciones para la cromatografía de gases se extienden mucho más allá de los cultivos. El Departamento de Seguridad Nacional, por ejemplo, los usa para detectar ciertos tipos de gases y productos químicos peligrosos. Y los investigadores también los están usando para detectar ciertos tipos de enfermedades digestivas en humanos.
Tradicionalmente, los cromatógrafos han sido dispositivos grandes de 3 a 10 metros de largo; Los avances en nanomateriales y fabricación han permitido a McMurray crear uno del tamaño de una batería de 8 voltios.
“Nunca podríamos haber construido esto; incluso hace cinco años no hubiera sido posible ", dice.
El micro GC de McMurray podría montarse en un brazo robótico en equipos agrícolas existentes, como un tractor o arado. El brazo sostendría el dispositivo sobre las hojas de la planta y recogería muestras de aire. Una computadora pequeña, no más poderosa que una computadora portátil básica o un iPhone, puede procesar datos de las muestras para identificar cualquier patógeno; Una descarga rápida de helio prepara el sensor para evaluar su próxima muestra.
Debido a que son tan pequeños, "[podemos] construir múltiples micro GC en un robot", dice McMurray. "Puedo tener 10, 20, incluso 100 de ellos en un solo tractor".
Eso significa que un tractor podría recolectar muestras de tallos, raíces y brotes simultáneamente.
El sistema de micro GC también podría usarse para detectar todos nuestros alimentos, desde frutas hasta verduras y granos, en busca de enfermedades.
“Los productos frescos que se envían alrededor [del mundo] podrían estar portando varias plagas o enfermedades. Si tiene algún tipo de sensor móvil o desplegable en el campo, podría detectar los VOC que salen de las plantas ”, postula McMurray. "Podría resolver algunos problemas muy grandes".
Actualmente, el equipo está terminando las pruebas de laboratorio para el micro GC para asegurarse de que sus resultados sean consistentes con los de los cromatógrafos más grandes. En agosto o septiembre, realizarán su primera prueba de campo, en la que un investigador caminará un micro GC a través de campos de duraznos para evaluar la pudrición de la raíz de Peachtree.
Si bien esa prueba inicial se centrará en una enfermedad específica, la cromatografía de gases puede detectar docenas de patógenos a la vez, lo que también lo distingue de otros enfoques, dice McMurray.
Incluso con la tecnología, los patólogos de plantas aún tendrán que mapear las emisiones de VOC asociadas con ciertos planes y ciertas enfermedades.
Las plantas cuyas emisiones de VOC ya están bien documentadas tendrán una ventaja cuando se inicie la detección de micro GC; otros requerirán más tiempo e investigación para diagnosticar y tratar. "El patógeno que elegimos, nadie sabe nada", dice McMurray, "pero, por ejemplo, se sabe mucho sobre ciertos hongos".
Pero el micro GC de Georgia Tech es un punto de inflexión importante en la usabilidad y escalabilidad, dice McMurray.
"Lo que tenemos creemos que es único", dice McMurray, "estos nuevos procesos de fabricación están abriendo una era completamente nueva de sensores".
