Нанотехнологии для сельского хозяйства: почему опыт медицины нужно применять на полях
Передовые технологии позволяют доставлять лекарства точно к нужным клеткам в организме. Учёные утверждают, что эти же технологии необходимо применить в сельском хозяйстве, чтобы фермеры могли удовлетворить растущий глобальный спрос на продукты.
В обзорной статье в журнале Nature Nanotechnology учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Карнеги-Меллон выделили наиболее известные стратегии применения нанотехнологий в агросекторе.
Нанотехнологии — это общий термин для изучения и создания микроскопически малых объектов. Насколько малых? Нанометр — это одна миллиардная часть метра, или примерно в 100 000 раз меньше ширины человеческого волоса. Благодаря нанотехнологиям лекарства теперь можно доставлять именно туда, где они нужнее всего. Но эти наработки ещё не применяются в широких масштабах в науке о растениях.
«Есть исследования, прогнозирующие, что к 2050 году нам потребуется увеличить производство продуктов питания на 60% по сравнению с уровнем 2020 года. Сейчас мы пытаемся сделать это за счёт неэффективной доставки агрохимикатов», — заявил Хуан Пабло Хиральдо, доцент Калифорнийского университета в Риверсайде и соавтор статьи.
«Половина всех удобрений, вносимых на фермах, теряется в окружающей среде и загрязняет грунтовые воды. В случае с обычными пестицидами всё ещё хуже. Только 5% достигают своих целей. Остальное загрязняет окружающую среду. Здесь есть огромный потенциал для улучшений», — сказал Хиральдо.
В настоящее время на сельское хозяйство приходится до 28% глобальных выбросов парниковых газов. Это, наряду с другими факторами — от экстремальных погодных явлений до распространения вредителей и быстрой деградации почв, — подчёркивает необходимость новых сельскохозяйственных практик и технологий.
В своём обзоре исследователи выделили конкретные подходы, заимствованные из наномедицины, которые можно использовать для доставки пестицидов, гербицидов и фунгицидов к конкретным биологическим мишеням.
«Мы создаём технологии целевой доставки на основе покрытия наноматериалов сахарами или пептидами, которые распознают специфические белки на клетках и органеллах растений», — пояснил Хиральдо. «Это позволяет использовать существующую молекулярную машинерию растения и направлять нужные химические вещества туда, где растение в них нуждается, например, в сосудистую систему, органеллы или места инфекций патогенов».
Это может повысить устойчивость растений к болезням и вредным факторам среды, таким как экстремальная жара или высокое содержание соли в почве. Такой подход также был бы гораздо более экологичным, с меньшим количеством побочных эффектов для окружающей среды.
Другая стратегия, обсуждаемая в статье, — использование искусственного интеллекта и машинного обучения для создания «цифрового двойника». Медицинские исследователи используют вычислительные модели или «цифровых пациентов» для имитации взаимодействия лекарств с организмом и их перемещения внутри него. Исследователи растений могут делать то же самое, чтобы создавать наноносители, доставляющие питательные вещества или другие агрохимикаты в органы растений, где они наиболее необходимы.
«Это как Д.Ж.А.Р.В.И.С. (Довольно Же Аккуратная Разумная Весьма Интеллектуальная Система) из фильма «Железный человек». По сути, это искусственный интеллект, помогающий проектировать наночастицы с контролируемыми свойствами доставки для сельского хозяйства», — сказал Хиральдо. «За этими симуляциями двойников могут следовать реальные эксперименты на растениях для обратной связи с моделями».
«Точная нано-доставка активных агентов в растениях преобразует сельское хозяйство, но сначала нам необходимо преодолеть критические технические проблемы, чтобы реализовать весь спектр её преимуществ», — отметил Грег Лоури, профессор инженерии Университета Карнеги-Меллон и соавтор обзора.
«Я оптимистично смотрю на будущее подходов растительной нанобиотехнологии и на положительное влияние, которое они окажут на нашу способность устойчиво производить продукты питания».