Дослідники розробляють нові системи з використанням наночасток для боротьби зі шкідниками без шкоди для корисних рослин і комах
Малі, але не найменші
Джастін Пахара, науковий співробітник дослідного центру в Летбриджі при Міністерстві сільського господарства і продовольства Канади, пояснює, що нанотехнологія передбачає роботу з малими структурами, але не найменшими. Вони більші за рівень атомів, молекул води чи молекул типових пестицидів широкого спектра дії. Наприклад, людська волосина має розмір приблизно 100 тисяч нанометрів, тоді як наноструктура зазвичай має розмір від одного до 100 нанометрів. Ці мікроскопічні наночастки пов’язані з активними інгредієнтами, які впливають на конкретну рослину чи комаху, і саме від них залежить кінцевий результат дії препарату.
«У Lethbridge NanoLab наші дослідження охоплюють поєднання наночасток і різних нуклеїнових кислот, таких як ДНК або РНК, для створення нових композицій активних інгредієнтів», — пояснює Джастін Пахара. Ця техніка схожа на розроблення та доставлення нових ліків, як-от вакцини проти COVID-19.
«Ми також розробляємо наноносії із цинку, магнію та інших сполук, які не є шкідливими для рослин. Ці носії будуть зв’язуватися з активними інгредієнтами та доставляти їх безпосередньо до конкретних шкідників, таких як польові клопи або совки, з якими важко боротися. Одна з чудових особливостей нуклеїнових кислот полягає в тому, що ми можемо вважати ДНК мовою програмування в біології. Це дає змогу нам перепрограмувати нуклеїнові кислоти для боротьби з кількома шкідниками за одне застосування або перепрограмувати активні інгредієнти, щоб націлити їх на щось інше. Наприклад, якщо активний інгредієнт з будь-якої причини стане стійким, ми повинні мати можливість налаштувати та повторно активувати активний інгредієнт, щоб він був ефективним, на відміну від проблем із традиційною стійкістю до пестицидів».
Команда NanoLab, доктор Джастін Пахара у центрі
Визначення мішені
Одним із пріоритетів є розуміння того, які органи чи клітини стають мішенями активних інгредієнтів, коли вони потрапляють у комаху чи рослину. «Зараз ми працюємо над новими інструментами, які створюватимуть тривимірні зображення на основі відстеження руху флуоресцентних наночасток всередині комах, — говорить Джастін Пахара. — Наприклад, у дослідженнях із польовими клопами ми виявили, що активний інгредієнт потрапляє в їхню дихальну систему. Ми хочемо визначити, куди рухається активний інгредієнт як у тілі комах, так і в рослинах, оскільки це важливо для вибору найефективнішої комбінації наночасток і активного інгредієнта для цільового впливу на конкретний вид. Це також гарантує, що активні інгредієнти досягнуть тієї зони всередині комахи чи рослини, де вони найбільш ефективні».
Тестування
У наступні роки оброблення культур від шкідливих організмів здійснюватиметься так само, як нині. Мета полягає в тому, щоб виробники могли використовувати наявні інфраструктуру, системи та методи без додаткових витрат. «Ми створили спеціальну камеру для розпилення, використовуючи звичайні форсунки для тестування та розпилення невеликих об’ємів наших препаратів, щоб змоделювати максимально реалістичні сценарії, — розповідає Джастін Пахара. — На розроблення цієї камери пішло близько року, включно з розробленням алгоритмів безпечної роботи з наночастками в системі розпилення».
NanoLab використовує нову роботизовану технологію, за допомогою якої можна тестувати різні комбінації наночасток на багатьох видах шкідників у великих масштабах. Цей новий підхід більш продуктивний і дає змогу швидко тестувати тисячі різних рецептур, а не зосереджуватися на одній рецептурі за раз.
Іншим пріоритетом для лабораторії є розроблення методів, які регуляторні органи могли б використовувати для оцінювання безпеки та ефективності наночасток, а також для підтвердження активних інгредієнтів і токсичності ЗЗР із наночастками для довкілля.
На цьому зелено-синьому зображенні тіла польового клопа червоний колір вказує на те, куди потрапили наночастки після оброблення. Розуміння того, куди потрапляють наночастки, допоможе дослідникам розробити ефективніші діючі речовини
Допуск на ринок
«У регулюванні мають брати участь як канадські, так і міжнародні регулятори, оскільки Канада експортує багато продуктів на міжнародний ринок. Ми розробляємо нові методи, які можуть бути використані Радою стандартів Канади та зацікавленими сторонами в усьому світі, щоб дозволити регуляторам оцінити цей новий клас речовин для оброблення рослин, — говорить Джастін Пахара. — Ми прагнемо, щоб продукти та методи їх тестування були затверджені й готові до використання до кінця десятиліття.
Наша лабораторія може стати мініцентром інновацій у розробці ЗЗР нового покоління. Якщо хтось з академічних кіл, державних установ або приватних компаній у Канаді чи в будь-якій іншій країні світу намагатиметься розробити активні інгредієнти нуклеїнової кислоти, тоді ми можемо додати їх у наш дослідний конвеєр і перевірити, щоб побачити, як вони взаємодіють з цими наночастками. У нас уже є партнери, які працюють над активними інгредієнтами для боротьби з кохією (злісний бур’ян у Канаді, стійкий до гербіцидів), ми маємо проєкти щодо лохини, ріпаку, а також продовжуємо роботу із совками та польовими клопами. Також ведемо переговори з компанією щодо оброблення насіння. Дуже приємно мати підтримку тих, хто бачить потенціал у новій технології».
Виробники можуть звернутися в дослідний центр із запитаннями чи коментарями щодо розроблення продуктів із наночастками. «Ми розуміємо, що це нова технологія, і нанотехнології не завжди добре зрозумілі. Зрештою, всі ці продукти повинні будуть пройти схвалення регуляторів. Наша мета — розробити ЗЗР із наночастками, які можуть здешевити обприскування, збільшити врожайність та розширити ринкові можливості, — говорить Пахара. — Ми очікуємо, що ці ЗЗР нового покоління будуть комерційно доступні до кінця десятиліття».
Проєкт фінансують Міністерство сільського господарства та продовольства Канади, а також організації Western Grain Research Foundation, Saskatchewan Wheat Development Commission, Alberta Innovates, Alberta Wheat Commission, Results Drive Agriculture Research, Canadian Light Source Synchrotron.
Людська волосина має діаметр від 0,1 до 1 мм (ліворуч). Імідаклоприд широкого спектра дії — це традиційна маленька молекула розміром близько одного нанометра в поперечному розрізі. Натомість наночастка оксиду цинку, яка має 100 нм в поперечному розрізі, є стандартним розміром для нанотехнологій. Отже, типова наночастка приблизно в 1–10 тис. разів менша за людську волосину, але більша за розмір молекули
Перестороги і занепокоєння
Водночас у січні 2024 року в журналі Environmental Science & Technology була опублікована стаття чотирьох вчених Лейденського університету (Tom A. P. Nederstigt, Bregje W. Brinkmann, Willie J. G. M. Peijnenburg, Martina G. Vijver), де йшлося про те, що екологічні ризики нових пестицидів із наночастками недостатньо досліджені. Учені закликають до вивчення довгострокових і екологічних наслідків пестицидів, що містять наночастки.
Екотоксиколог Том Недерштігт дослідив, як можна виміряти вплив наночасток. Він зауважив, що ці ефекти наразі ще недостатньо досліджені. Оцінки часто не враховують, що нанопестициди, як правило, діють довше і можуть бути більш токсичними, ніж традиційні продукти. На практиці це може означати, що обсяги використання та викиди менші, але негативний вплив на довкілля більший.
У своїй статті Недерстігт і його колеги пояснюють, як можуть виникнути несприятливі наслідки використання нанопродуктів і на чому дослідники повинні зосередитися під час оцінювання безпеки. Наприклад, кроти чи ворони можуть споживати комах, що загинули внаслідок дії нанопродукту і цей продукт може накопичуватися в них.
Якщо шкідливі комахи піддаються впливу продукту протягом тривалого часу через відстрочене вивільнення, те саме може стосуватися нецільових організмів, таких як черв’яки та бабки, які можуть зазнати шкоди, навіть якщо вони не є цільовими. Оцінювачі ризику нанопродуктів також рідко враховують їх вплив на мікроби, незважаючи на значну роль мікробіоти в ґрунті та всіх організмах на Землі ― цей аспект вивчав співавтор Брег’є Брінкманн. Оцінювачі також повинні перевірити, чи потрапляє продукт у ґрунтові води та сусідні райони.
Інструкції щодо допуску пестицидів на ринок розроблено, затверджено та встановлено на міжнародному рівні. Це роблять такі організації, як ОЕСР (Організація економічного співробітництва та розвитку) та ISO (Міжнародна організація стандартизації). Імплементація цих вказівок у нормативні документи також відбувається на міжнародному рівні. EFSA займається цим щодо пестицидів, а ECHA (Європейське хімічне агентство) робить те саме для хімічних речовин загалом.
Керівні принципи, які дозволяють нанопродуктам вийти на ринок, тільки встановлюють і розробляють. Ще можливе коригування настанов. Таким чином, автори стверджують, що варто зосередитися на впливі на нецільові організми, беручи до уваги більшу тривалість впливу цих продуктів.
