Onderzoekers van Case Western Reserve University passen technologie voor medicijnafgifte toe in de landbouw om parasitaire rondwormen effectiever en veiliger te bestrijden.

De kleine rondwormen, of nematoden, wereldwijd elk jaar $ 157 miljard aan mislukte oogsten veroorzaken, andere onderzoekers schatten, grotendeels omdat ze buiten het bereik van pesticiden zijn. De chemicaliën verspreiden zich slecht in de bodem, terwijl de parasieten zich voeden met plantenwortels ver onder het oppervlak.

Als resultaat, boeren gebruiken grote hoeveelheden pesticiden, die de chemische concentraties in voedsel kunnen verhogen of wegvloeien en schade kunnen toebrengen aan andere delen van het milieu, die allemaal kosten hebben.

Maar onderzoekers van biomedische technologie bij Case Western Reserve hebben mogelijk een effectieve oplossing gevonden.

"We gebruiken biologische nanodeeltjes - een plantenvirus - om een ​​bestrijdingsmiddel af te leveren, " zei Paul Chariou, een promovendus in biomedische technologie bij Case Western Reserve en auteur van een studie over het proces gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano . "Gebruik van het nanodeeltje verhoogt de bodemdiffusie en vermindert het risico op uitloging en afspoeling, het verminderen van de hoeveelheid chemicaliën in voedselgewassen en het verlagen van de kosten om gewassen te behandelen."

Chariou werkte samen met Nicole Steinmetz, de George J. Picha Professor in Biomaterialen, benoemd door de Case Western Reserve School of Medicine.

Parasitaire nematoden voeden zich met een breed scala aan gewassen, inclusief maïs, tarwe, koffie, soja bonen, aardappelen en tal van fruitbomen. Schade die ze aan de wortels veroorzaken, verslechtert het vermogen van de planten om water en voedingsstoffen op te nemen, die jonge planten kunnen doden en de opbrengsten van volwassen planten kunnen verminderen.

Om te proberen meer pesticide aan de wortels te leveren, de onderzoekers gebruikten tabak mild green mosaic virus (TMGMV). Het virus wordt in Florida gebruikt als pesticide om een ​​invasief onkruid te bestrijden, maar is goedaardig voor nematoden.

TMGMV kan tomaten besmetten, aubergine en andere solenaceous planten, maar vormt geen bedreiging voor bijna 3, 000 andere plantensoorten die last hebben van nematodeninfecties.

Het virus assembleert zichzelf tot een buisachtige structuur, 300 nanometer lang en 18 nanometer breed, met een hol kanaal van 4 nanometer breed.

Als proof of concept voor dit onderzoek, de onderzoekers testten de van plantenvirus afgeleide nanodeeltjes met een nematicide genaamd kristalviolet, die is gebruikt om nematoden op de huid te doden, maar niet in de landbouw.

De onderzoekers maakten gebruik van oppervlaktechemie om de positief geladen kristalviolette moleculen in het negatief geladen kanaal van het virus-nanodeeltje te laden. Elk virusdeeltje droeg ongeveer 1, 500 kristalviolette moleculen.

In laboratoriumexperimenten met omstandigheden die gewasbodems nabootsen met een pH van 5, het nematicide bleef gehecht terwijl de virusdeeltjes werden aangebracht op en verspreid door de grond. "Op het wortelniveau het nematicide diffundeert na verloop van tijd uit het virus, " zei Chariou. Warmere en zuurdere gronden zorgden ervoor dat de chemische stof sneller vrijkwam.

Bij testen met de nematode Caenorhabdiis elegans, in een vloeibare cultuur, de wetenschappers bevestigden dat nematoden verlamd en gedood werden door behandeling met het met medicijnen geïnfuseerde virus-nanodeeltje - dit komt omdat het medicijn na verloop van tijd uit zijn drager diffundeert, waardoor het in wisselwerking staat met de nematoden. Als secundair moordmechanisme, de onderzoeker merkte ook op dat de rondwormen de nanodeeltjes aten. Het kristalviolet kwam vrij in de magen van de dieren, verlammen en doden.

Het belangrijkste is, nematicide-dragende virusdeeltjes verspreidden zich beter wanneer ze op het bodemoppervlak werden aangebracht en maakten meer moleculen beschikbaar om aaltjes op wortelniveau te doden.

Chariou en Steinmetz testen nu het leveringssysteem met behulp van chemische pesticiden die zijn goedgekeurd voor gewassen en ontwikkelen een computermodel om beter te begrijpen en, uiteindelijk, het vermogen van het nanodeeltje om door de bodem te diffunderen optimaliseren.