Nanopartikler fremstillet af plantevirus kan være landmænds nye allierede inden for skadedyrsbekæmpelse

En ny form for skadedyrsbekæmpelse i landbruget kan en dag slå rod - en, der behandler afgrødeangreb dybt under jorden på en målrettet måde med mindre pesticider.

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet nanopartikler, lavet af plantevirus, som kan levere pesticidmolekyler til jorddybder, der tidligere var uopnåelige. Dette fremskridt kan potentielt hjælpe landmændene med effektivt at bekæmpe parasitære nematoder, der plager afgrødernes rodzoner, alt imens omkostninger, pesticidbrug og miljøtoksicitet minimeres.

Bekæmpelse af angreb forårsaget af rodskadende nematoder har længe været en udfordring i landbruget. En årsag er, at de typer af pesticider, der bruges mod nematoder, har en tendens til at klæbe til de øverste lag af jord, hvilket gør det svært at nå rodniveauet, hvor nematoder forårsager kaos. Som følge heraf tyr landmændene ofte til at påføre for store mængder pesticid, samt vand til at vaske pesticider ned til rodzonen. Dette kan føre til forurening af jord og grundvand.

For at finde en mere bæredygtig og effektiv løsning udviklede et hold ledet af Nicole Steinmetz, professor i nanoteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og stiftende direktør for Center for Nano-ImmunoEngineering, plantevirusnanopartikler, der kan transportere pesticidmolekyler dybt. ned i jorden, præcis hvor de er nødvendige. Værket er detaljeret beskrevet i et papir udgivet i Nano Letters .

Steinmetz' team hentede inspiration fra nanomedicin, hvor nanopartikler bliver skabt til målrettet medicinlevering, og tilpassede dette koncept til landbruget. Denne idé om at genbruge og omdesigne biologiske materialer til forskellige applikationer er også et fokusområde for UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), som Steinmetz er medansvarlig for.

"Vi udvikler en tilgang til præcisionslandbrug, hvor vi skaber nanopartikler til målrettet levering af pesticider," sagde Steinmetz, som er undersøgelsens seniorforfatter. "Denne teknologi har løftet om at forbedre behandlingseffektiviteten i marken uden behov for at øge pesticiddoseringen."

Stjernen i denne tilgang er tobaks milde grønne mosaikvirus, en plantevirus, der har evnen til at bevæge sig gennem jorden med lethed. Forskere modificerede disse virus nanopartikler, hvilket gjorde dem ikke-infektiøse for afgrøder ved at fjerne deres RNA. De blandede derefter disse nanopartikler med pesticidopløsninger i vand og opvarmede dem, hvilket skabte sfæriske viruslignende nanopartikler pakket med pesticider gennem en simpel syntese i én gryde.

Denne one-pot syntese giver flere fordele. For det første er det omkostningseffektivt med kun få trin og en ligetil oprensningsproces. Resultatet er en mere skalerbar metode, der baner vejen mod et mere overkommeligt produkt for landmændene, bemærkede Steinmetz. For det andet, ved blot at pakke pesticidet inde i nanopartiklerne, i stedet for at binde det kemisk til overfladen, bevarer denne metode den oprindelige kemiske struktur af pesticidet.

"Hvis vi havde brugt en traditionel syntetisk metode, hvor vi forbinder pesticidmolekylerne til nanopartiklerne, ville vi i det væsentlige have skabt en ny forbindelse, som skal gennemgå en helt ny registrerings- og regulatorisk godkendelsesproces," sagde undersøgelsens første forfatter Adam Caparco. , en postdoc-forsker i Steinmetz' laboratorium.

"Men da vi netop indkapsler pesticidet i nanopartiklerne, ændrer vi ikke den aktive ingrediens, så vi behøver ikke at få ny godkendelse for det. Det kan være med til at fremskynde oversættelsen af ​​denne teknologi til markedet."

Desuden er tobaks mildgrøn mosaikvirus allerede godkendt af Environmental Protection Agency (EPA) til brug som et herbicid til at kontrollere en invasiv plante kaldet det tropiske sodavandsæble. Denne eksisterende godkendelse kan yderligere strømline vejen fra laboratorium til marked.

Forskerne udførte eksperimenter i laboratoriet for at demonstrere effektiviteten af ​​deres pesticidpakkede nanopartikler. Nanopartiklerne blev vandet gennem søjler af jord og med succes transporterede pesticiderne til dybder på mindst 10 centimeter. Opløsningerne blev opsamlet fra bunden af ​​jordsøjlerne og viste sig at indeholde de pesticidpakkede nanopartikler. Når forskerne behandlede nematoder med disse opløsninger, eliminerede de mindst halvdelen af ​​befolkningen i en petriskål.

Mens forskerne endnu ikke har testet nanopartiklerne på nematoder, der lurer under jorden, bemærker de, at denne undersøgelse markerer et væsentligt skridt fremad.

"Vores teknologi gør det muligt at bruge pesticider beregnet til at bekæmpe nematoder i jorden," sagde Caparco. "Disse pesticider alene kan ikke trænge ind i jorden. Men med vores nanopartikler har de nu jordmobilitet, kan nå rodniveauet og potentielt dræbe nematoderne."

Fremtidig forskning vil involvere at teste nanopartiklerne på faktiske angrebne planter for at vurdere deres effektivitet i virkelige landbrugsscenarier. Steinmetz' laboratorium vil udføre disse opfølgende undersøgelser i samarbejde med U.S. Horticultural Research Laboratory. Hendes team har også etableret planer for et industripartnerskab, der sigter mod at fremme nanopartiklerne til et kommercielt produkt.

Flere oplysninger: Adam A. Caparco et al., Levering af nematicider ved hjælp af TMGMV-afledte sfæriske nanopartikler, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01684

Journaloplysninger: Nanobreve

Leveret af University of California - San Diego