Lægemiddelleveringsmetode lover godt for bekæmpelse af afgrødeparasitter

Forskere ved Case Western Reserve University anvender lægemiddelleveringsteknologi til landbruget for at kontrollere parasitiske rundorme mere effektivt og sikkert.

De små rundorme, eller nematoder, forårsager 157 milliarder dollars i afgrødesvigt på verdensplan hvert år, andre forskere vurderer, hovedsagelig fordi de er uden for pesticiders rækkevidde. Kemikalierne spredes dårligt i jorden, mens parasitterne lever ved planterødder et godt stykke under overfladen.

Som resultat, landmænd anvender store mængder pesticider, som kan øge de kemiske koncentrationer i fødevarer eller løbe væk og skade andre dele af miljøet, som alle har omkostninger.

Men biomedicinske ingeniørforskere ved Case Western Reserve kan have fundet en effektiv løsning.

"Vi bruger biologiske nanopartikler - en plantevirus - til at levere et pesticid, " sagde Paul Chariou, en ph.d.-studerende i biomedicinsk teknik ved Case Western Reserve og forfatter til en undersøgelse om processen offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano . "Brug af nanopartikler øger jorddiffusionen, samtidig med at risikoen for udvaskning og afstrømning mindskes, at reducere mængden af ​​kemikalier i fødevareafgrøder og reducere omkostningerne ved at behandle afgrøder."

Chariou arbejdede sammen med Nicole Steinmetz, George J. Picha professor i biomaterialer udpeget af Case Western Reserve School of Medicine.

Parasitiske nematoder lever af en bred vifte af afgrøder, herunder majs, hvede, kaffe, sojabønner, kartofler og et væld af frugttræer. Skader, de forårsager ved rødderne, forringer planternes evne til at optage vand og næringsstoffer, som kan dræbe unge planter og reducere udbyttet i modne planter.

For at forsøge at levere mere pesticid til rødderne, forskerne brugte tobaks mild grøn mosaikvirus (TMGMV). Virusset bruges i Florida som et pesticid til at bekæmpe et invasivt ukrudt, men er godartet over for nematoder.

TMGMV kan inficere tomater, aubergine og andre solenaceous planter, men er ikke en trussel mod næsten 3, 000 andre plantearter, der lider af nematodeinfektioner.

Virussen samler sig selv til en rørlignende struktur, 300 nanometer lang og 18 nanometer bred, med en hul kanal 4 nanometer bred.

Som et bevis på konceptet for denne undersøgelse, forskerne testede de plantevirus-afledte nanopartikler med et nematicid kaldet krystalviolet, som er blevet brugt til at dræbe nematoder på huden, men ikke i landbruget.

Forskerne udnyttede overfladekemi for at indlæse de positivt ladede krystalviolette molekyler i virus-nanopartiklernes negativt ladede kanal. Hver viruspartikel bar omkring 1, 500 krystalviolette molekyler.

I laboratorieforsøg med forhold, der efterligner afgrødejord med en pH på 5, nematicidet forblev vedhæftet, da viruspartiklerne blev påført og diffunderet gennem jorden. "På rodniveau, nematicidet diffunderer ud af virussen over tid, " sagde Chariou. Varmere og mere sure jorde fik kemikaliet til at blive frigivet hurtigere.

I forsøg med nematoden Caenorhabdiis elegans, i en flydende kultur, forskerne bekræftede, at nematoder blev lammet og dræbt ved behandling med den lægemiddelinfunderede virus-nanopartikel – det skyldes, at stoffet diffunderer ud af sin bærer over tid, så det kan interagere med nematoderne. Som en sekundær drabsmekanisme, forskeren bemærkede også, at rundormene spiste nanopartiklerne. Krystalviolen blev frigivet i dyrenes maver, lammer og dræber dem.

Mest vigtigt, nematicid-bærende viruspartikler spredte sig bedre, når de blev påført jordoverfladen og gjorde flere molekyler tilgængelige for at dræbe nematoder på rodniveau.

Chariou og Steinmetz tester nu leveringssystemet ved hjælp af kemiske pesticider godkendt til afgrøder og udvikler en computermodel for bedre at forstå og, ultimativt, optimere nanopartiklernes evne til at diffundere gennem jorden.