Alejandro Pérez de Luque, Cristina Miguel Rojas. IFAPA, Área de Mejora Vegetal y Biotecnología. Córdoba
La nanotecnología tiene el potencial de transformar la agricultura a través del desarrollo de agroquímicos más eficientes y menos contaminantes (nanoformulaciones) y el diseño de dispositivos avanzados para detectar estreses bióticos y abióticos en las plantas antes de que afecten a la producción (nanobiosensores).
Estos avances prometen mitigar problemas críticos y desafíos en la agricultura, como reducir el impacto ambiental negativo de las prácticas agrícolas, enfrentar problemas derivados del cambio climático (alteraciones en precipitaciones y temperaturas, aparición de nuevas razas de fitopatógenos) y superar la meseta de rendimientos máximos de los cultivos. Las aplicaciones nanotecnológicas en agricultura están creciendo y abarcan áreas como la manipulación del suelo y del agua (Figura 1).
Sin embargo, debido a las limitaciones de espacio, aquí nos centraremos en las dos aplicaciones más importantes: nanosensores y nanoformulaciones.
Nanobiosensores: vigilancia y diagnóstico en cultivos
Uno de los mayores desafíos en la producción de cultivos es controlar su estado sanitario. La detección temprana de enfermedades o deficiencias puede ahorrar costos y reducir el impacto ambiental, especialmente si las intervenciones son localizadas. La agricultura inteligente (“smart farming”) emplea tecnologías avanzadas como drones y sensores remotos, y en este contexto, los nanobiosensores son cruciales.
Los nanobiosensores pueden monitorear marcadores específicos de estrés (sequía, enfermedad) a nivel de planta individual, convirtiendo señales químicas en información digital. Variaciones en el contenido de especies reactivas de oxígeno (H₂O₂), azúcares (glucosa, sacarosa), iones (Ca²⁺, H⁺) y hormonas vegetales (etileno, ácido abcísico, ácido jasmónico) están relacionadas con el estado sanitario de la planta. Ya existen nanosensores que miden estas concentraciones (Giraldo et al., 2018).
Estos sensores logran la conversión de señales químicas a eléctricas o luminosas mediante varios métodos (Figura 2). Un ejemplo es un nanobiosensor compuesto por un receptor para el analito (el compuesto que se desea detectar) y dos cromóforos (moléculas que emiten fluorescencia) de distinto color. Cuando el receptor está vacío, solo uno de los cromóforos emite fluorescencia. Al unirse el analito, los cromóforos se acercan y la fluorescencia cambia, utilizando el fenómeno de Transferencia de Energía de Resonancia de Förster. Este tipo de sensores pueden proporcionar información in vivo sobre concentraciones de moléculas, actividad de proteínas y dinámica de iones (Giraldo et al., 2018).
Además, hay diseños basados en nanotubos de carbono, puntos cuánticos (“quantum dots”) y virus de plantas que convierten señales químicas en ópticas (Giraldo et al., 2018). También existen sistemas electrónicos no invasivos, basados en estructuras de carbono nanométricas, que se colocan sobre las hojas para medir sustancias volátiles (Lee et al., 2014).
Nanoformulaciones: mejorando la protección y el rendimiento
La agricultura depende de agroquímicos para mantener los rendimientos, pero su eficiencia es baja y gran parte se pierde por volatilización, lavado o descomposición. Esto no solo representa un costo económico, sino también un problema ambiental, ya que los productos no absorbidos terminan contaminando el entorno. La nanotecnología mejora la eficiencia y seguridad de los agroquímicos mediante nanoformulaciones, que ofrecen varias ventajas (Figura 3) (Vurro et al., 2019):
- Protección frente a la acción degradante de agentes externos (pH, luz, temperatura, microorganismos…): introducir el producto en una nanocápsula crea una barrera protectora que previene el deterioro de la materia activa, permitiendo reducir la dosis necesaria. Esto también posibilita el uso de agroquímicos naturales, los cuales se descomponen fácilmente en el ambiente y tienen poca persistencia, por lo que su uso ha sido limitado debido a su alta sensibilidad a la degradación.
- Liberación controlada: las nanocápsulas y nanopartículas pueden ser diseñadas y configuradas para abrirse y liberar su contenido activo en respuesta a ciertos estímulos (como un cambio de pH al entrar en el estómago de un insecto o la acción de una enzima) o para liberarlo de manera gradual a lo largo del tiempo.
- Controlar la solubilidad: estas formulaciones mejoran la solubilidad del producto tanto en medios acuosos como lipídicos, facilitando su penetración y movimiento a través de diferentes tejidos.
Biomoléculas vinculadas para funciones específicas: en la superficie de los nanomateriales se pueden añadir ácidos nucleicos (ADN, ARN), anticuerpos, proteínas, lípidos, entre otros, que reconocen y se unen a otras sustancias. Esto permite que los nanodispositivos se dirijan y concentren en áreas específicas de organismos, tejidos o células, liberando su carga química exactamente en el lugar necesario.
Estas nanoformulaciones pueden utilizarse tanto para optimizar estrategias y productos que ya se emplean tradicionalmente como para desarrollar nuevas aproximaciones y soluciones (Kah et al., 2019). En el primer caso, se busca mejorar la aplicación mediante la liberación controlada y localizada de los principios activos ya existentes y comercializados. Por ejemplo, en el caso de los fertilizantes, esta estrategia es muy beneficiosa, ya que evita pérdidas por lavado y descomposición, asegurando que los nutrientes estén disponibles para la planta cuando y donde los necesite (Ramírez-Rodríguez et al., 2020).
Como nuevas soluciones alternativas, encontramos la capacidad de algunas nanopartículas para estimular las defensas naturales de las plantas, su actividad microbiológica intrínseca, o la incorporación de nuevas sustancias y productos que tengan una acción muy específica o sean de origen natural, mejorados y protegidos por los nanomateriales (Vurro et al., 2019; Pérez-de-Luque, 2020). Por ejemplo, la tecnología del ARN de interferencia (RNAi) es ideal para combinar con nanoformulaciones que protejan el ácido nucléico y permitan su liberación en los momentos y lugares adecuados, anulando los genes de fitopatógenos específicos y previniendo infecciones (Mitter et al., 2017; Vurro et al., 2019).
Implementación de nanotecnología en agricultura: retos y consideraciones
Aunque los resultados publicados son cada vez más prometedores y ya existen numerosas patentes e incluso productos comerciales (Kah et al., 2019), lograr que un producto de este tipo tenga una aplicación práctica en el campo no es tarea sencilla. Primero, porque los trabajos de investigación suelen ser muy complejos y requieren equipos multidisciplinarios altamente especializados en áreas como química, física, biología y agronomía, además del uso de equipamiento altamente sofisticado (incluso hasta aceleradores de partículas – sincrotrones).
En segundo lugar, el comportamiento de los nanomateriales puede variar considerablemente según la especie vegetal y su fisiología. Por ello, los resultados obtenidos con un cultivo (especialmente en lo que respecta a nanoformulaciones) no necesariamente se pueden extrapolar a otro (Pérez-de-Luque, 2017).
Como tercer punto, la agricultura generalmente opera con márgenes de beneficio muy ajustados. Por lo tanto, el costo de los nanomateriales y su escalado para aplicaciones en grandes cantidades en el campo debe ser bajo, ya que, de lo contrario, no sería viable para los agricultores adoptarlos (Pérez-de-Luque, 2017; Kah et al., 2019).
Además, al considerar la aplicación de estos productos en el campo, es crucial evaluar el posible impacto ambiental de los nanodispositivos y su seguridad alimentaria. Por esta razón, la tendencia actual es emplear nanomateriales de origen natural (biopolímeros), no tóxicos y fácilmente degradables (Pérez-de-Luque, 2017; Kah et al., 2019).
Por último, uno de los mayores desafíos es cómo aplicar estos nanodispositivos a los cultivos, ya que también implica un costo para el agricultor. Un nanoagroquímico debería poder aplicarse de la misma manera que los productos convencionales (mediante maquinaria, riego, etc.), dependiendo de su modo de acción y función.
Lo ideal sería que pudieran incorporarse como un recubrimiento en las propias semillas, lo que reduciría enormemente los costos. Los nanosensores presentan más dificultades en este sentido, ya que posiblemente habría que diseñar métodos específicos para su liberación en los cultivos. Algunos de ellos no tendrían sentido en muchas situaciones o serían demasiado costosos, como los sistemas electrónicos no invasivos sobre las hojas, a menos que se tratara de cultivos plurianuales más permanentes (como árboles frutales, por ejemplo).
Para abordar gran parte de estos problemas, es esencial desarrollar investigaciones sobre aplicaciones en campo (Pérez-de-Luque, 2017; Kah et al., 2019). Muchos de los trabajos realizados hasta ahora carecen de ensayos en cultivos reales y se limitan a extrapolar resultados obtenidos en laboratorio o bajo condiciones controladas (invernadero o cámaras de cultivo). Los ensayos de campo en agronomía son equivalentes a los ensayos clínicos en medicina; aunque un producto funcione bien en laboratorio, no garantiza su efectividad en condiciones reales, y pueden surgir problemas de distribución.
Por lo tanto, realizar experimentos con diferentes cultivos en parcelas experimentales, comparándolos con productos convencionales para evaluar eficiencias y siguiendo las prácticas habituales de los agricultores, es la única forma de validar si una aplicación nanotecnológica tendrá un impacto significativo en la agricultura.
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Referencias
Giraldo JP, Wu H, Newkirk GM, Kruss S (2019) Nanobiotechnology approaches for engineering smart plant sensors. Nature Nanotechnology 14:541-553. DOI: 10.1038/s41565-019-0470-6
Kah M, Tufenkji N, White JC (2019) Nano-enabled strategies to enhance crop nutrition and protection. Nature Nanotechnology 14: 532-540. DOI: 10.1038/s41565-019-0439-5
Lee K, Park J, Lee MS, Kim J, Hyun BG, Kang DJ, Na K, Lee CY, Bien F, Park JU (2014) In-situ Synthesis of carbon nanotube-graphite electronic devices and their integrations onto surfaces of live plants and insects. Nano Letters 14:2647-2654. DOI: 10.1021/nl500513n
Mitter N, Worrall EA, Robinson KE, Li P, Jain RG, Taochy C, Fletcher SJ, Carroll BJ, Lu GQM, Xu ZP (2017) Clay nanosheets for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses. Nature Plants 3: 16207. DOI: 10.1038/nplants.2016.207
Pérez-de-Luque A (2017) Interaction of nanomaterials with plants: what do we need for real applications in agriculture? Frontiers in Environmental Science 5: 12. DOI: 10.3389/fenvs.2017.00012
Pérez-de-Luque A (2020) Nanotechnology in Agriculture. Scientific Reports 10: 15738. DOI: 10.1038/s41598-020-73198-7
Ramírez-Rodríguez GB, Dal Sasso G, Carmona FJ, Miguel-Rojas C, Pérez-de-Luque A, Masciocchi N, Guagliardi A, Delgado-Lopez JM (2020) Engineering biomimetic calcium phosphate nanoparticles: a green synthesis of slow-release multinutrient (NPK) nanofertilizers. ACS Applied Bio Materials 3: 1344-1353. DOI: 10.1021/acsabm.9b00937
Vurro M, Miguel-Rojas C, Pérez-de-Luque A (2019) Safe nanotechnologies for increasing effectiveness of environmentally friendly natural agrochemicals. Pest Management Science 75:2403-2412. DOI: 10.1002/ps.5348
