Betere landbouw door nanotechnologie: een argument voor het toepassen van medische inzichten in de landbouw

Geavanceerde technologieën maken de gecontroleerde afgifte van medicijnen aan specifieke cellen in het lichaam mogelijk. Wetenschappers beweren dat dezelfde technologieën in de landbouw moeten worden toegepast als telers willen voldoen aan de toenemende mondiale voedselvraag.

In een Natuur Nanotechnologie tijdschriftoverzicht papierbenadrukken wetenschappers van UC Riverside en Carnegie Mellon University enkele van de bekendste strategieën voor het verbeteren van de landbouw met nanotechnologie.

Nanotechnologie is een overkoepelende term voor het bestuderen en ontwerpen van microscopisch kleine dingen. Hoe klein? Een nanometer is een miljardste van een meter, oftewel ongeveer 100.000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Met behulp van nanotechnologie kunnen medicijnen nu worden afgeleverd daar waar ze het meest nodig zijn. Maar deze inzichten moeten nog op grote schaal worden toegepast op de plantenwetenschap.

“Er zijn onderzoeken die voorspellen dat we de voedselproductie in 2050 met wel 60% moeten verhogen ten opzichte van het niveau van 2020. Op dit moment proberen we dat te doen door middel van inefficiënte agrochemische levering”, zegt Juan Pablo Giraldo, UCR universitair hoofddocent en paper co. -Corresponderende auteur.

“De helft van alle kunstmest die op boerderijen wordt gebruikt, gaat verloren in het milieu en vervuilt het grondwater. In het geval van veelgebruikte pesticiden is het zelfs nog erger. Slechts 5% bereikt de beoogde doelstellingen. De rest vervuilt uiteindelijk het milieu. Er is een Er is nog veel ruimte voor verbetering”, aldus Giraldo.

Momenteel is de landbouw verantwoordelijk voor maar liefst 28% van de mondiale uitstoot van broeikasgassen. Dit, naast een reeks andere factoren, van extreme weersomstandigheden tot welig tierende gewasplagen en snel afbrekende grond, onderstreept de noodzaak van nieuwe landbouwpraktijken en -technologieën.

In hun review benadrukken de onderzoekers specifieke benaderingen die zijn ontleend aan de nanogeneeskunde en die kunnen worden gebruikt om pesticiden, herbiciden en fungiciden aan specifieke biologische doelen te leveren.

“We zijn baanbrekend bezig met gerichte leveringstechnologieën gebaseerd op het coaten van nanomaterialen met suikers of peptiden die specifieke eiwitten op plantencellen en organellen herkennen”, aldus Giraldo. “Dit stelt ons in staat om de bestaande moleculaire machinerie van de plant te gebruiken en de gewenste chemicaliën te sturen naar waar de plant deze nodig heeft, bijvoorbeeld het plantenstelsel, de organellen of plaatsen van infecties met plantpathogenen.”

Als je dit doet, kunnen planten weerbaarder worden tegen ziekten en schadelijke omgevingsfactoren zoals extreme hitte of een hoog zoutgehalte in de bodem. Dit soort levering zou ook een veel groenere aanpak zijn, met minder afwijkende effecten in het milieu.

Een andere strategie die in het artikel wordt besproken, is het gebruik van kunstmatige intelligentie en machinaal leren om een ​​‘digitale tweeling’ te creëren. Medische onderzoekers gebruiken computermodellen of ‘digitale patiënten’ om te simuleren hoe medicijnen interageren met en zich binnen het lichaam verplaatsen. Plantenonderzoekers kunnen hetzelfde doen door nanodragermoleculen te ontwerpen die voedingsstoffen of andere landbouwchemicaliën leveren aan plantenorganen waar ze het meest nodig zijn.

“Het lijkt op JARVIS (Just A Rather Very Intelligent System) uit de film Iron Man. In wezen een gids voor kunstmatige intelligentie om nanodeeltjes met gecontroleerde afgifte-eigenschappen voor de landbouw te helpen ontwerpen, ” zei Giraldo. “We kunnen deze tweelingsimulaties opvolgen met real-life plantexperimenten voor feedback op de modellen.”

“Nano-enabled precisie-afgifte van actieve stoffen in planten zal de landbouw transformeren, maar er zijn kritische technische uitdagingen die we eerst moeten overwinnen om het volledige scala van de voordelen ervan te realiseren”, zegt Greg Lowry, hoogleraar techniek bij Carnegie Mellon en co-corresponderend auteur van het overzichtspapier.

“Ik ben optimistisch over de toekomst van de nanobiotechnologie van planten en de gunstige gevolgen die dit zal hebben voor ons vermogen om duurzaam voedsel te produceren.”