Представьте себе технологию, которая могла бы нацеливать пестициды на определенные участки глубоко в почве, делая их более эффективными в борьбе с заражениями и ограничивая их токсичность для окружающей среды.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Кейс Вестерн Резерв сделали шаг к этой цели. Они обнаружили, что биологическая наночастица - растительный вирус - способна доставлять молекулы пестицидов глубже под землю, в места, которые обычно находятся вне их досягаемости.
Работа может помочь фермерам лучше бороться с трудными вредителями, такими как паразитические нематоды, которые наносят ущерб корням растений глубоко в почве, с меньшим количеством пестицидов. Работа опубликована 20 мая в журнале Nature Nanotechnology.
«Это звучит нелогично, что мы можем использовать растительный вирус для лечения здоровья растений», - сказала Николь Стейнмец, профессор наноинженерии в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования. «Это новая область исследований в области нанотехнологий, показывающая, что мы можем использовать вирусы растений в качестве систем доставки пестицидов. Это похоже на то, как мы используем наночастицы в медицине, чтобы нацеливать лекарства на очаги болезни и уменьшать их побочные эффекты у пациентов».
Пестициды представляют собой очень липкие молекулы при применении в полевых условиях, объяснил Штайнмец. Они прочно связываются с органическим веществом в почве, что затрудняет проникновение вглубь корней, где обитают вредители, такие как нематоды, и наносят ущерб.
Чтобы компенсировать это, фермеры в конечном итоге применяют большое количество пестицидов, из-за которых вредные остатки накапливаются в почве и попадают в грунтовые воды.
Стейнмец и ее команда работают над решением этой проблемы. В новом исследовании они обнаружили, что особый растительный вирус, вирус табачной мягкой зеленой мозаики, может с легкостью переносить небольшое количество пестицидов глубоко через почву.
Полезный вирус
В ходе лабораторных испытаний исследователи прикрепили модель инсектицида к различным типам наночастиц и поливали их через столбики почвы.
Табачный вирус мягкой зеленой мозаики превзошел большинство других наночастиц, протестированных в исследовании. Он унес свой груз на глубину 30 сантиметров от поверхности. Наночастицы PLGA и мезопористого кремнезема, которые исследователи изучили для доставки пестицидов и удобрений, несут свою полезную нагрузку на глубину 8 и 12 сантиметров соответственно.
Были протестированы и другие растительные вирусы. Вирус мозаики вигны также переносит свою полезную нагрузку на глубину 30 сантиметров под поверхностью, но он может нести лишь часть полезной нагрузки, которую может нести вирус мягкой зеленой мозаики табака. Интересно, что вирус мозаики физалиса проник только на 4 сантиметра ниже поверхности.
Исследователи предполагают, что геометрия наночастиц и химия поверхности могут играть роль в том, как они перемещаются в почве. Например, наличие трубчатой структуры может частично объяснить, почему вирус мягкой зеленой мозаики табака перемещается дальше, чем большинство других наночастиц сферической формы. Кроме того, химический состав его поверхности, естественно, более разнообразен, чем у синтетических частиц, таких как PLGA и диоксид кремния, что может привести к другому взаимодействию с почвой. Хотя эти правила дизайна могут применяться к вирусу мягкой зеленой мозаики табака, исследователи говорят, что требуется дополнительная работа, чтобы лучше понять, почему другие наночастицы ведут себя именно так.
«Мы берем концепции, которые мы извлекли из наномедицины, где мы разрабатываем наночастицы для адресной доставки лекарств, и применяем их в сельском хозяйстве», - сказал Стейнмец.«В медицинских условиях мы также видим, что наноносители с тонкими, трубчатыми формами и разнообразным химическим составом поверхности могут лучше перемещаться по телу. Имеет смысл, что растительный вирус может легче проникать и перемещаться через почву - вероятно, потому, что именно там он естественным образом обитает.."
С точки зрения безопасности, вирус мягкой зеленой мозаики табака может заражать растения семейства пасленовых (или пасленовых), такие как помидоры, картофель и баклажаны, но безвреден для тысяч других видов растений. Кроме того, вирус передается только при механическом контакте между двумя растениями, а не по воздуху. Это означает, что если одно поле обрабатывается этим вирусом, близлежащие поля не будут подвергаться риску заражения, говорят исследователи.
Моделирование доставки пестицидов
Команда также разработала вычислительную модель, которую можно использовать для прогнозирования того, как различные наноносители пестицидов ведут себя в почве - насколько глубоко они могут перемещаться; сколько их нужно внести в почву; и сколько времени им потребуется, чтобы выпустить свой груз пестицидов.
«Исследователи, работающие с другим растительным вирусом или наноматериалом, могли бы использовать нашу модель, чтобы определить, насколько хорошо их частица будет работать в качестве агента доставки пестицидов», - сказал первый автор Пол Шариу, аспирант биоинженерии в лаборатории Стейнмеца в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Диего.
"Кроме того, это сокращает экспериментальную нагрузку", - сказал Шариу. Тестирование всего одной наночастицы для этого исследования включает проведение сотен анализов, сбор всех фракций из каждой колонки и их анализ. «Все это занимает не менее одного месяца. Но с моделью нам потребовалось всего около 10 колонок почвы и 4 дня, чтобы протестировать новую наночастицу», - сказал он.
В качестве следующего шага Стейнмец и ее команда тестируют наночастицы вируса мягкой зеленой мозаики табака с пестицидами. Цель состоит в том, чтобы протестировать их в полевых условиях в ближайшем будущем.