Forskare vid Case Western Reserve University tillämpar drogtillförselteknik på jordbruket för att bekämpa parasitiska rundmaskar mer effektivt och säkert.

De små rundmaskarna, eller nematoder, orsaka 157 miljarder dollar i grödor under hela världen varje år, andra forskare uppskattar, till stor del för att de är utom räckhåll för bekämpningsmedel. Kemikalierna sprids dåligt i jorden, medan parasiterna matar vid växtrötter långt under ytan.

Som ett resultat, bönder använder stora mängder bekämpningsmedel, som kan öka de kemiska koncentrationerna i livsmedel eller rinna av och skada andra delar av miljön, som alla har kostnader.

Men biomedicinska forskare vid Case Western Reserve kan ha hittat en effektiv lösning.

"Vi använder biologiska nanopartiklar - ett växtvirus - för att leverera ett bekämpningsmedel, "sa Paul Chariou, doktorand i biomedicinsk teknik vid Case Western Reserve och författare till en studie om processen som publicerats i tidskriften ACS Nano . "Användning av nanopartiklar ökar jordens spridning samtidigt som risken för urlakning och avrinning minskar, minska mängden kemikalier i livsmedelsgrödor och minska kostnaderna för att behandla grödor. "

Chariou arbetade med Nicole Steinmetz, George J. Picha -professorn i biomaterial utsedd av Case Western Reserve School of Medicine.

Parasitiska nematoder lever av ett brett utbud av grödor, inklusive majs, vete, kaffe, sojabönor, potatis och en mängd fruktträd. Skador som de orsakar vid rötterna försämrar växternas förmåga att absorbera vatten och näringsämnen, som kan döda unga växter och minska avkastningen hos mogna växter.

För att försöka leverera mer bekämpningsmedel till rötterna, forskarna använde tobaks mildgrönt mosaikvirus (TMGMV). Viruset används i Florida som bekämpningsmedel för att bekämpa ett invasivt ogräs, men är godartad mot nematoder.

TMGMV kan infektera tomater, aubergine och andra solväxter, men är inte ett hot mot nästan 3, 000 andra växtarter som drabbas av nematodinfektioner.

Viruset monteras själv i en rörliknande struktur, 300 nanometer lång och 18 nanometer bred, med en ihålig kanal 4 nanometer bred.

Som ett bevis på konceptet för denna studie, forskarna testade växtvirushärledda nanopartiklar med en nematicid som kallas kristallviolett, som har använts för att döda nematoder på huden men inte inom jordbruket.

Forskarna utnyttjade ytkemi för att ladda de positivt laddade kristallvioletta molekylerna i den negativt laddade kanalen av virus-nanopartikeln. Varje viruspartikel bar omkring 1, 500 kristallvioletta molekyler.

I laboratorieexperiment med förhållanden som efterliknar grödor med ett pH på 5, nematiciden förblev fäst när viruspartiklarna applicerades på och diffunderade genom jorden. "På rotnivå, nematiden sprids ut från viruset över tid, "Sa Chariou. Varmare och surare jordar gjorde att kemikalien släpptes snabbare.

Vid testning med nematoden Caenorhabdiis elegans, i en flytande kultur, forskarna bekräftade att nematoder förlamades och dödades genom behandling med läkemedelsinfuserad virus-nanopartikel-detta beror på att läkemedlet diffunderar ut ur sin bärare med tiden så att det kan interagera med nematoder. Som en sekundär dödande mekanism, forskaren noterade också att rundmaskarna åt nanopartiklarna. Kristallvioletten släpptes ut i djurens mage, förlamar och dödar dem.

Viktigast, nematidbärande viruspartiklar sprids bättre när de appliceras på markytan och gör fler molekyler tillgängliga för att döda nematoder på rotnivå.

Chariou och Steinmetz testar nu leveranssystemet med kemiska bekämpningsmedel som är godkända för grödor och utvecklar en datormodell för att bättre förstå och, i sista hand, optimera nanopartikelns förmåga att diffundera genom marken.