Nicole Steinmetz, UC San Diego professor i nanoteknik, håller en förstorad modell av Tobacco mild green mosaic virus. Hon undersöker hur växtviruset kan användas för riktad leverans av bekämpningsmedel djupt inne i jorden. Kredit:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Föreställ dig en teknik som kan rikta in sig på bekämpningsmedel för att behandla specifika fläckar djupt inne i jorden, vilket gör dem mer effektiva för att kontrollera angrepp samtidigt som de begränsar deras toxicitet för miljön.
Forskare vid University of California San Diego och Case Western Reserve University har tagit ett steg mot det målet. De upptäckte att en biologisk nanopartikel - ett växtvirus - kan leverera bekämpningsmedelsmolekyler djupare under marken, till platser som normalt ligger utanför deras räckhåll.
Arbetet kan hjälpa bönder att bättre hantera svåra skadedjur, som parasitiska nematoder som orsakar förödelse på växtrötter djupt i jorden, med mindre bekämpningsmedel. Verket publiceras 20 maj i tidskriften Naturens nanoteknik .
"Det låter kontraintuitivt att vi kan använda ett växtvirus för att behandla växthälsa, sa Nicole Steinmetz, en professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och senior författare till studien. "Detta är ett framväxande forskningsområde inom nanoteknik som visar att vi kan använda växtvirus som bekämpningsmedelsleveranssystem. Det liknar hur vi använder nanopartiklar i medicin för att rikta läkemedel mot sjukdomsplatser och minska deras biverkningar hos patienter."
Bekämpningsmedel är mycket klibbiga molekyler när de appliceras i fält, Steinmetz förklarade. De binder starkt till organiskt material i jorden, vilket gör det svårt att få tillräckligt att tränga djupt ner i rotnivån där skadedjur som nematoder vistas och orsakar skada.
Att kompensera, bönder använder stora mängder bekämpningsmedel, som gör att skadliga rester byggs upp i marken och läcker ut i grundvattnet.
Steinmetz och hennes team arbetar för att ta itu med detta problem. I en ny studie, de upptäckte att ett visst växtvirus, Tobak mild grön mosaikvirus, kan transportera små mängder bekämpningsmedel djupt genom jorden med lätthet.
Ett hjälpsamt virus
I labbtester, forskarna fäste en modellinsekticid till olika typer av nanopartiklar och vattnade dem genom jordpelare.
Paul Chariou, en bioteknik doktorand vid UC San Diego, testa hur långt Tobak mild grön mosaikvirus färdas genom en jordpelare. Kredit:David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Tobak mild grön mosaikvirus överträffade de flesta andra nanopartiklar som testades i studien. Den fraktade sin last ner till 30 centimeter under ytan. PLGA och mesoporös kiseldioxid nanopartiklar, som forskare har studerat för leverans av bekämpningsmedel och gödningsmedel, bar sina nyttolaster 8 och 12 centimeter djupa, respektive.
Andra växtvirus testades också. Cowpea mosaic virus bar också sin nyttolast 30 centimeter djupt under ytan, men det kan bara bära en bråkdel av nyttolasten som Tobacco mild green mosaic virus kan bära. Intressant, Physalis mosaikvirus nådde bara 4 centimeter under ytan.
Forskarna antar att nanopartikelgeometri och ytkemi kan spela en roll i hur den rör sig genom jorden. Till exempel, att ha en rörformad struktur kan delvis förklara varför Tobaks mildgröna mosaikvirus färdas längre än de flesta andra nanopartiklar som är sfäriska till formen. Också, dess ytkemi är naturligtvis mer mångsidig än syntetiska partiklar som PLGA och kiseldioxid, vilket kan få den att interagera med jorden annorlunda. Även om dessa designregler kan gälla för Tobak mild grön mosaikvirus, forskarna säger att det krävs mer arbete för att bättre förstå varför andra nanopartiklar beter sig som de gör.
"Vi tar begrepp vi har lärt oss från nanomedicin, där vi utvecklar nanopartiklar för riktad läkemedelsleverans, och tillämpa dem på jordbruket, " sa Steinmetz. "I den medicinska miljön, vi ser också att nanobärare med magra, rörformade former och olika ytkemi kan navigera kroppen bättre. Det är vettigt att ett växtvirus lättare kan penetrera och röra sig genom jorden - förmodligen för att det är där det naturligt bor."
När det gäller säkerhet, Mild grön mosaikvirus av tobak kan infektera växter från familjen Solanaceae (eller nattskuggor), som tomater, potatis och aubergine, men är godartad för tusentals andra växtarter. Också, viruset överförs endast genom mekanisk kontakt mellan två växter, inte genom luften. That means if one field is being treated with this virus, nearby fields would not be at risk for contamination, sa forskare.
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, en bioteknik 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, " han sa.
Som nästa steg, 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."
