Microfluidic biochip platform for detection of stress biomarkers in vineyards

June 6, 2025

A crise climática representa desafios significativos para a agricultura, particularmente para a viticultura, que é vital para as economias locais e o património cultural. O aumento das temperaturas, os padrões climáticos imprevisíveis e a intensificação dos stresses bióticos e abióticos ameaçam a saúde da videira, reduzindo os rendimentos e alterando a qualidade do vinho. Esses problemas são ainda mais exacerbados pelas limitações dos métodos de diagnóstico convencionais, que consomem muito tempo, exigem muitos recursos e dependem de conhecimento especializado. Enfrentar esses desafios urgentes requer ferramentas inovadoras e sustentáveis, permitindo a deteção de stresse em tempo real e uma intervenção precisa para garantir a resiliência e a sustentabilidade da viticultura. As tecnologias microfluídicas apresentam uma solução inovadora para enfrentar esses desafios. Essas plataformas miniaturizadas e portáteis permitem a deteção rápida e económica de biomarcadores vitais, como o ácido abscísico (ABA), um indicador crítico do amadurecimento da fruta e do stress causado pela seca, e o ácido salicílico (SA), um marcador importante de infeções nas plantas. Ao empregar biossensores avançados e alavancar mecanismos microfluídicos (dispositivo bombeado externamente e plataforma capilar), somos capazes de desenvolver um imunoensaio competitivo microfluídico para deteção de ABA, bem como um protocolo de tratamento de amostra pronto para o campo. Também foi possível integrar o ensaio desenvolvido com um sensor ótico, tornando o dispositivo mais portátil para testes de campo. Os sistemas microfluídicos desenvolvidos combinam a facilidade de uso com a alta sensibilidade, atingindo um limite de deteção (LOD) de 10−6 a 10−3 mg/mL e 10−6 a 10−4 mg/mL para o dispositivo bombeado externamente e plataforma capilar, respetivamente. Adicionalmente, foi desenvolvida uma plataforma de deteção de SA utilizando um ensaio baseado em aptameros usando o tratamento de amostra previamente estabelecido, conseguindo um LOD de 10−9 a 10−6 mg/mL. A sua integração na viticultura e na agricultura de precisão suporta a deteção precoce do stress em plantas, permitindo aos agricultores mitigar riscos e aumentar a sustentabilidade. Além da agricultura, a versatilidade da microfluídica estende-se a aplicações biomédicas, incluindo para a descoberta de medicamentos. A plataforma para deteção de adenilato quinase (AK) in vitro foi desenvolvida permitindo estudar o efeito de drogas. Este dispositivo foi capaz de detetar o efeito deste medicamento em 10-100 células lisadas. Esta pesquisa destaca o papel transformador das tecnologias microfluídicas na viabilização de práticas agrícolas sustentáveis, ao mesmo tempo que contribui para a segurança alimentar global e a preservação do ecossistema. Ao abordar necessidades críticas na viticultura e agricultura como um todo, a microfluídica oferece um caminho para sistemas resilientes capazes de se adaptar aos desafios de um mundo em constante mudança. The climate crisis poses significant challenges to agriculture, particularly viticulture, which is vital to local economies and cultural heritage. Rising temperatures, unpredictable weather patterns, and the intensification of biotic and abiotic stresses threaten grapevine health, reduce yields, and alter wine quality. These issues are further exacerbated by the limitations of conventional diagnostic methods, which are time-consuming, resource-intensive, and rely on specialized personnel. Addressing these pressing challenges requires innovative, sustainable tools capable of enabling real-time stress detection and precise intervention to ensure the resilience and sustainability of viticulture. Microfluidic technologies present a groundbreaking solution to address these challenges. These miniaturized, portable platforms enable the rapid and costeffective detection of key biomarkers, such as abscisic acid (ABA), a critical indicator of fruit ripening and drought stress, and salicylic acid (SA), a key marker of plant infections. By employing advanced biosensors and leveraging microfluidic mechanisms (externally pumped device and capillary platform), we can develop a microfluidic competitive immunoassay for ABA detection, as well as, a field-ready sample treatment protocol. It was also possible to integrate the developed assay with an optical sensor, making the device more portable for field testing. The developed microfluidic systems combine ease of use with high sensitivity achieving a limit of detection (LOD) of 10−6 to 10−3 mg/mL and 10−6 to 10−4 mg/mL for the externally pumped device and capillary platform, respectively. Additionally, a SA detection platform was developed using an aptamer-based assay combined with a previously established sample treatment, achieving a LOD ranging from 10−9 to 10−6 mg/mL. Their integration into viticulture and precision agriculture supports early detection of plant stresses, empowering farmers to mitigate risks and enhance sustainability. Beyond agriculture, the versatility of microfluidics extends to biomedical applications, including drug discovery. The platform for adenylate kinase (AK) detection in vitro was developed allowing to study of the effect of drugs. This device was capable of detecting the effect of this drug in as little as 10-100 lysed cells. This research highlights the transformative role of microfluidic technologies in enabling sustainable agricultural practices while contributing to global food security and ecosystem preservation. By addressing critical needs in viticulture and agriculture as a whole, microfluidics offers a pathway to resilient systems capable of adapting to the challenges of a rapidly changing world.

Authors in the community:

• 

  C

  Cristiana Maria Filipe Domingues

  ist189364

  Affiliations and sources

  IST

  Instituto Superior Técnico

  IST > INESC-MN

  Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores - Microssistemas e Nanotecnologias

Supervisors of this institution:

• 

  J

  João Pedro Estrela Rodrigues Conde

  ist12146

101827130

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• Microfluidics
• Bead-based assays
• Biosensors
• Portability
• Point-of-care
• Microfluídica
• Ensaios baseados em microesferas
• Biossensores
• Portabilidade
• Ponto de atendimento

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: 2020.09377.BD