Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв применяют технологию доставки лекарств в сельском хозяйстве для более эффективной и безопасной борьбы с паразитическими круглыми червями.
Крошечные круглые черви, или нематоды, ежегодно вызывают неурожай на сумму 157 миллиардов долларов во всем мире, по оценкам других исследователей, в основном потому, что они находятся вне досягаемости пестицидов. Химикаты плохо рассеиваются в почве, а паразиты питаются корнями растений глубоко под поверхностью.
В результате фермеры применяют большое количество пестицидов, которые могут увеличить концентрацию химических веществ в продуктах питания или нанести ущерб другим частям окружающей среды, и все это требует затрат.
Но исследователи биомедицинской инженерии из Case Western Reserve, возможно, нашли эффективное решение.
«Мы используем биологические наночастицы - растительный вирус - для доставки пестицида», - сказал Пол Шариу, аспирант биомедицинской инженерии в Case Western Reserve и автор исследования процесса, опубликованного в журнале ACS Nano. «Использование наночастиц увеличивает диффузию почвы, снижая при этом риск выщелачивания и стока, уменьшая количество химикатов в продовольственных культурах и снижая затраты на обработку сельскохозяйственных культур».
Чариу работал с Николь Стейнмец, профессором биоматериалов Джорджа Дж. Пича, назначенным Медицинской школой Case Western Reserve.
Нематоды-паразиты питаются широким спектром сельскохозяйственных культур, включая кукурузу, пшеницу, кофе, соевые бобы, картофель и множество фруктовых деревьев. Повреждения, которые они наносят корням, ухудшают способность растений поглощать воду и питательные вещества, что может привести к гибели молодых растений и снижению урожайности взрослых растений.
Чтобы попытаться доставить больше пестицидов к корням, исследователи использовали вирус мягкой зеленой мозаики табака (TMGMV). Вирус используется во Флориде в качестве пестицида для борьбы с инвазивными сорняками, но безвреден для нематод.
TMGMV может заражать помидоры, баклажаны и другие пасленовые растения, но не представляет угрозы почти для 3 000 других видов растений, страдающих нематодными инфекциями.
Вирус самостоятельно собирается в трубчатую структуру длиной 300 нанометров и шириной 18 нанометров с полым каналом шириной 4 нанометра.
В качестве доказательства концепции этого исследования исследователи протестировали наночастицы, полученные из растительных вирусов, с нематоцидом под названием кристаллический фиолетовый, который использовался для уничтожения нематод на коже, но не в сельском хозяйстве.
Исследователи воспользовались химией поверхности, чтобы загрузить положительно заряженные молекулы кристаллического фиолетового в отрицательно заряженный канал вирусной наночастицы. Каждая вирусная частица несет около 1500 молекул кристаллического фиолетового.
В лабораторных экспериментах с условиями, имитирующими почву для сельскохозяйственных культур с pH 5, нематоцид оставался прикрепленным, когда вирусные частицы наносились на почву и диффундировали через нее. «На корневом уровне нематоцид со временем диффундирует из вируса», - сказал Шариу. Более теплые и кислые почвы вызывали более быстрое высвобождение химического вещества.
В ходе испытаний с нематодой Caenorhabdiis elegans в жидкой культуре ученые подтвердили, что нематоды были парализованы и уничтожены при обработке вирусом-наночастиц, наполненным лекарством, потому что лекарство диффундирует из носителя с течением времени. позволяя ему взаимодействовать с нематодами. В качестве вторичного механизма уничтожения исследователь также отметил, что круглые черви поедают наночастицы. Кристаллический фиолетовый был выпущен в желудки животных, парализуя и убивая их.
Самое главное, вирусные частицы, несущие нематоциды, лучше рассеивались при нанесении на поверхность почвы и делали больше молекул доступными для уничтожения нематод на корневом уровне.
Chariou и Steinmetz в настоящее время тестируют систему доставки с использованием химических пестицидов, одобренных для сельскохозяйственных культур, и разрабатывают компьютерную модель, чтобы лучше понять и, в конечном итоге, оптимизировать способность наночастиц распространяться через почву.