Новые сенсоры помогут создать защиту растений, безопасную для пчел

Растущий глобальный спрос на растительную пищу делает необходимым использование пестицидов для защиты урожая от вредителей. Однако у этого подхода есть серьезный недостаток: широкое применение пестицидов привело к значительному сокращению популяций насекомых. Особенно тревожным является сокращение численности диких пчел, которые вносят значительный вклад в опыление и, следовательно, необходимы для урожайности.

Чтобы решить эту проблему, ученые Института Фраунгофера для электронных микросистем и твердотельных технологий (EMFT) в рамках исследовательского проекта Ökotox работают над созданием новых типов сенсоров. Эти сенсоры призваны помочь выявлять «враждебные для пчел» вещества на ранних стадиях разработки новых средств защиты растений.

«Наша цель — чтобы эти сенсоры указывали на вредное воздействие на насекомых в течение нескольких часов и одновременно позволяли тестировать множество веществ параллельно, экономя время и деньги», — говорит профессор Йоахим Вегенер, руководитель отдела Фраунгофера «Клеточная сенсорика».

Основная концепция нового подхода основана на использовании клеток насекомых в качестве сенсоров. Эти клетки обладают типичным для соответствующих насекомых метаболизмом и могут указывать на вредное воздействие при контакте с биоактивными веществами. «Клетки переносятся в лабораторные чашки, оснащенные микроэлектродами на дне», — объясняет Вегенер. В этих так называемых мультиэлектродных массивах сопротивление клеток переменному току (импеданс) определяется в реальном времени и сообщает о вредных эффектах.

Метод может дополнить обычные биоаналитические тесты, которые используются для определения токсической концентрации изолированного действующего вещества. Однако пестициды обычно содержат многочисленные добавки, которые часто ответственны за непреднамеренные токсические эффекты. С помощью сенсоров на клетках насекомых эффект всей смеси тестируется в одном эксперименте. Это позволяет быстро выявлять биологические эффекты новых составов.

Клетки культивируются в лаборатории. Они замораживаются непосредственно в лунках мультиэлектродных массивов и хранятся при низких температурах. При необходимости клетки можно разморозить, и они будут готовы к тестированию в течение нескольких минут, даже непосредственно в полевых условиях, независимо от лаборатории клеточных культур. Это позволяет эффективно по времени и затратам готовить большие партии сенсорных клеток задолго до проведения тестов.

На данный момент с помощью этой сенсорной технологии были протестированы пять различных пестицидов на предмет их острой клеточной токсичности. «Результаты показывают, что некоторые пестициды, продаваемые для бытового использования, токсичны в концентрациях, которые значительно ниже рекомендуемой концентрации применения», — говорит руководитель проекта Стефани Михаэлис.

Для автоматизации применения электродных массивов, загруженных сенсорами, исследовательская группа Fraunhofer EMFT разработала демонстрационное устройство, которое размораживает клетки и добавляет образцы. «Устройство обеспечивает точное дозирование и исключает любое перекрестное загрязнение», — объясняет Кристиан Хохрайтер, спланировавший и разработавший прототип.

То, насколько результаты с клетками насекомых отражают влияние на живых насекомых, станет предметом дальнейших исследований.

Помимо обнаружения острого инсектицидного эффекта, тот же сенсорный принцип будет использоваться для изучения различных клеточных функций (фенотипов) и в будущем позволит одновременно исследовать клетки разных видов насекомых. «Наша цель — создать всеобъемлющий профиль воздействия веществ, который выходит за рамки их чистой острой токсичности для одного вида», — говорит Вегенер.

Результаты опубликованы в журнале Applied Research.