Stel je een technologie voor die zich kan richten op pesticiden om specifieke plekken diep in de bodem te behandelen, waardoor ze effectiever zijn in het beheersen van plagen en tegelijkertijd hun toxiciteit voor het milieu beperken.

Onderzoekers van de University of California San Diego en Case Western Reserve University hebben een stap in de richting van dat doel gezet. Ze ontdekten dat een biologisch nanodeeltje - een plantenvirus - in staat is pesticidemoleculen dieper onder de grond af te leveren, naar plaatsen die normaal gesproken buiten hun bereik liggen.

Het werk zou boeren kunnen helpen lastige plagen beter te bestrijden, als parasitaire nematoden die grote schade aanrichten aan plantenwortels diep in de grond, met minder bestrijdingsmiddelen. Het werk is op 20 mei gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Het klinkt contra-intuïtief dat we een plantenvirus kunnen gebruiken om de gezondheid van planten te behandelen, " zei Nicole Steinmetz, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en senior auteur van de studie. "Dit is een opkomend onderzoeksgebied in nanotechnologie dat aantoont dat we plantenvirussen kunnen gebruiken als afgiftesystemen voor pesticiden. Het is vergelijkbaar met hoe we nanodeeltjes in de geneeskunde gebruiken om medicijnen te richten op plaatsen van ziekte en hun bijwerkingen bij patiënten te verminderen."

Pesticiden zijn zeer kleverige moleculen wanneer ze in het veld worden toegepast, Steinmetz uitgelegd. Ze binden sterk aan organische stof in de bodem, waardoor het moeilijk is om genoeg te krijgen om diep in het wortelniveau door te dringen waar ongedierte zoals nematoden zich bevinden en schade aanrichten.

Compenseren, boeren gebruiken uiteindelijk grote hoeveelheden pesticiden, waardoor schadelijke residuen zich ophopen in de bodem en uitspoelen naar het grondwater.

Steinmetz en haar team werken eraan om dit probleem aan te pakken. In een nieuwe studie, ontdekten ze dat een bepaald plantenvirus, Tabak mild groen mozaïekvirus, kan met gemak kleine hoeveelheden pesticide diep door de bodem transporteren.

Een nuttig virus

Bij laboratoriumtesten, de onderzoekers bevestigden een modelinsecticide aan verschillende soorten nanodeeltjes en gaven ze water door kolommen aarde.

Het milde groene mozaïekvirus van tabak presteerde beter dan de meeste andere nanodeeltjes die in het onderzoek werden getest. Het vervoerde zijn lading tot 30 centimeter onder het oppervlak. PLGA en mesoporeuze silica nanodeeltjes, die onderzoekers hebben bestudeerd voor de levering van pesticiden en kunstmest, droegen hun ladingen 8 en 12 centimeter diep, respectievelijk.

Ook andere plantenvirussen werden getest. Cowpea-mozaïekvirus droeg ook zijn lading 30 centimeter diep onder het oppervlak, maar het kan slechts een fractie van de lading dragen die het milde groene mozaïekvirus van tabak kan dragen. interessant, Physalis-mozaïekvirus bereikte slechts 4 centimeter onder het oppervlak.

De onderzoekers veronderstellen dat nanodeeltjesgeometrie en oppervlaktechemie een rol kunnen spelen in hoe het door de bodem beweegt. Bijvoorbeeld, het hebben van een buisvormige structuur zou gedeeltelijk kunnen verklaren waarom het milde groene mozaïekvirus van tabak verder reist dan de meeste andere nanodeeltjes die bolvormig zijn. Ook, de oppervlaktechemie is van nature diverser dan synthetische deeltjes zoals PLGA en silica, waardoor het op een andere manier met de bodem zou kunnen interageren. Hoewel deze ontwerpregels van toepassing kunnen zijn op het milde groene mozaïekvirus van tabak, de onderzoekers zeggen dat er meer werk nodig is om beter te begrijpen waarom andere nanodeeltjes zich gedragen zoals ze doen.

"We nemen concepten die we hebben geleerd van nanogeneeskunde, waar we nanodeeltjes ontwikkelen voor gerichte medicijnafgifte, en toepassen op de landbouw, " zei Steinmetz. "In de medische setting, we zien ook dat nanodragers met magere, buisvormige vormen en diverse oppervlaktechemie kunnen beter door het lichaam navigeren. Het is logisch dat een plantenvirus gemakkelijker de grond kan binnendringen en zich erdoor kan verplaatsen, waarschijnlijk omdat het daar van nature verblijft."

Op het gebied van veiligheid, Het milde groene mozaïekvirus van tabak kan planten van de Solanaceae (of nachtschade) familie infecteren, zoals tomaten, aardappelen en aubergines, maar is goedaardig voor duizenden andere plantensoorten. Ook, het virus wordt alleen overgedragen door mechanisch contact tussen twee planten, niet door de lucht. That means if one field is being treated with this virus, nearby fields would not be at risk for contamination, aldus onderzoekers.

Modeling pesticide delivery

The team also developed a computational model that can be used to predict how different pesticide nanocarriers behave in the soil—how deep they can travel; how much of them need to be applied to the soil; and how long they will take to release their load of pesticide.

"Researchers working with a different plant virus or nanomaterial could use our model to determine how well their particle would work as a pesticide delivery agent, " said first author Paul Chariou, een bio-engineering Ph.D. student in Steinmetz's lab at UC San Diego.

"It also cuts down on experimental workload, " Chariou said. Testing just one nanoparticle for this study involves running hundreds of assays, collecting all the fractions from each column and analyzing them. "This all takes at least one month. But with the model, it only took us about 10 soil columns and 4 days to test a new nanoparticle, " hij zei.

Als volgende stap, Steinmetz and her team are testing Tobacco mild green mosaic virus nanoparticles with pesticide loads. The goal is to test them in the field in the near future.

The paper is titled "Soil mobility of synthetic and virus-based model nanoparticles."