Immagina una tecnologia che possa mirare ai pesticidi per trattare punti specifici in profondità nel terreno, rendendoli più efficaci nel controllare le infestazioni limitando la loro tossicità per l'ambiente.

I ricercatori dell'Università della California di San Diego e della Case Western Reserve University hanno fatto un passo avanti verso questo obiettivo. Hanno scoperto che una nanoparticella biologica, un virus vegetale, è in grado di rilasciare molecole di pesticidi più in profondità sotto terra, in luoghi normalmente fuori dalla loro portata.

Il lavoro potrebbe aiutare gli agricoltori a gestire meglio i parassiti difficili, come i nematodi parassiti che devastano le radici delle piante in profondità nel terreno, con meno pesticidi. L'opera è pubblicata il 20 maggio sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"Sembra controintuitivo che possiamo usare un virus vegetale per curare la salute delle piante, " ha detto Nicole Steinmetz, un professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering e autore senior dello studio. "Questo è un campo di ricerca emergente nelle nanotecnologie che mostra che possiamo utilizzare i virus delle piante come sistemi di somministrazione di pesticidi. È simile al modo in cui utilizziamo le nanoparticelle in medicina per indirizzare i farmaci verso i siti di malattia e ridurre i loro effetti collaterali nei pazienti".

I pesticidi sono molecole molto appiccicose se applicati sul campo, ha spiegato Steinmetz. Si legano fortemente alla materia organica del suolo, rendendo difficile ottenere abbastanza per penetrare in profondità nel livello della radice dove risiedono parassiti come i nematodi e causano danni.

Compensare, gli agricoltori finiscono per applicare grandi quantità di pesticidi, che causano l'accumulo di residui nocivi nel terreno e l'infiltrazione nelle acque sotterranee.

Steinmetz e il suo team stanno lavorando per affrontare questo problema. In un nuovo studio, hanno scoperto che un particolare virus vegetale, Virus del mosaico verde lieve del tabacco, può trasportare facilmente piccole quantità di pesticidi in profondità attraverso il terreno.

Un virus utile

Nei test di laboratorio, i ricercatori hanno attaccato un insetticida modello a diversi tipi di nanoparticelle e le hanno innaffiate attraverso colonne di terreno.

Il virus del mosaico verde lieve del tabacco ha superato la maggior parte delle altre nanoparticelle testate nello studio. Trasportava il suo carico fino a 30 centimetri sotto la superficie. PLGA e nanoparticelle di silice mesoporosa, che i ricercatori hanno studiato per la consegna di pesticidi e fertilizzanti, trasportavano i loro carichi a 8 e 12 centimetri di profondità, rispettivamente.

Sono stati testati anche altri virus delle piante. Anche il virus del mosaico del fagiolo dall'occhio ha trasportato il suo carico utile a 30 centimetri di profondità sotto la superficie, ma può trasportare solo una frazione del carico utile che può trasportare il virus del mosaico verde lieve del tabacco. interessante, Il virus del mosaico Physalis ha raggiunto solo 4 centimetri sotto la superficie.

I ricercatori ipotizzano che la geometria delle nanoparticelle e la chimica della superficie potrebbero svolgere un ruolo nel modo in cui si muove attraverso il suolo. Per esempio, avere una struttura tubolare potrebbe in parte spiegare perché il virus del mosaico verde delicato del tabacco viaggia più lontano della maggior parte delle altre nanoparticelle di forma sferica. Anche, la sua chimica superficiale è naturalmente più diversificata rispetto alle particelle sintetiche come PLGA e silice, che potrebbe farla interagire con il suolo in modo diverso. Sebbene queste regole di progettazione possano applicarsi al virus del mosaico verde delicato del tabacco, i ricercatori affermano che è necessario più lavoro per capire meglio perché altre nanoparticelle si comportano come loro.

"Stiamo prendendo concetti che abbiamo imparato dalla nanomedicina, dove stiamo sviluppando nanoparticelle per la somministrazione mirata di farmaci, e applicarli all'agricoltura, " ha detto Steinmetz. "In ambito medico, vediamo anche che i nanovettori con skinny, forme tubolari e diverse sostanze chimiche di superficie possono navigare meglio nel corpo. Ha senso che un virus vegetale possa penetrare e muoversi più facilmente attraverso il terreno, probabilmente perché è lì che risiede naturalmente".

In termini di sicurezza, Il virus del mosaico verde delicato del tabacco può infettare piante della famiglia delle solanacee (o belladonna) come pomodori, patate e melanzane, ma è benigno per migliaia di altre specie di piante. Anche, il virus si trasmette solo per contatto meccanico tra due piante, non attraverso l'aria. That means if one field is being treated with this virus, nearby fields would not be at risk for contamination, ricercatori hanno detto.

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, un dottorato di ricerca in bioingegneria. 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, " Egli ha detto.

Come passo successivo, 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."