パデュー大学、農業改善にナノテク技術をテスト

August, 19, 2024, West Lafayette--ナノスケールの粒子は、地球規模での農業および環境の持続可能性の問題に対処するのに役立つ可能性がある。

これらの問題には、食料需要の増加、農業活動によって発生する温室効果ガス排出量の増加、農薬のコストの上昇、気候変動によって引き起こされる作物の収量の減少、土壌の質の悪化が含まれる。「ナノキャリア」と呼ばれるナノスケールの粒子のクラスは、作物農業をより持続可能で気候変動に対して回復力のあるものにする可能性があると、パデュー大学の農業および生物工学の助教授であるKurt Ristrophを含む専門家グループは話している。

Ristrophは、「『ナノ粒子』は、人によって意味が異なる」と言う。ナノドラッグ送達では、ナノ粒子のサイズは通常60〜100nmの範囲で、脂質またはポリマでできている。「環境の世界では、ナノ粒子は通常、3〜5nmの金属酸化物コロイドを意味する。これらは同じものではないが、人々は両方に「ナノ粒子」を使用する」。

Ristrophは、植物における薬物送達のためのナノメソッドに関する2022年の学際的ワークショップの開催を支援した。全米科学財団(NSF)と米国農務省の資金提供を受けたこのワークショップには、学界、産業界、政府の研究所から30人が参加した。

Ristrophを含むワークショップ参加者の多くが、Nature Nanotechnology誌に結論を発表している。「Towards realizing nano-enabled precision delivery in plants」と題された論文では、ナノキャリアが作物農業をより持続可能で気候変動に対する回復力のあるものにする可能性についてレビューしている。

「ナノ対応の植物への活性剤の精密送達は農業を変革するが、その利点の全範囲を実現するためには、まず克服しなければならない重要な技術的課題がある。私は、植物ナノバイオテクノロジーのアプローチの未来と、それが持続可能な方法で食料を生産する能力にどのような有益な影響を与えるかについて楽観的である」と、論文の共同筆頭著者、Carnegie Mellon University Walter J. Blenko, Sr. Professor (土木・環境工学)であるGreg Lowryは、話している。

植物細胞とヒト細胞には、生理学的な大きな違いがある。例えば、植物細胞には細胞壁があるが、人間の細胞にはない。しかし、特定のツールはナノメディシンから植物用途に転用可能である。

「動物のナノ粒子の周りのバイオコロナ形成を研究するためのツールが開発された。これらのOMICtoolsの一部を植物のナノ粒子に応用することも考えられる」(Ristroph)。

ナノ粒子が血流に注入されると、血液の多くの成分がナノ粒子の表面に付着する。ナノ粒子の表面に付着する様々なタンパク質により、ナノ粒子は、違ったように見える。

次に、どのタンパク質やその他の分子が表面に付着し、その結果、粒子がどこに行くかを把握する必要がある。特定の臓器に向かって移動するように設計されたナノ粒子は、粒子の表面タンパク質を検出し、それを別の臓器に送る白血球によって目的地が変更される可能性がある。

「大まかに言えば、それがバイオコロナの形成と輸送の考え方である。ドラッグデリバリナノメディシンの人々は、そのようなことを研究するためのツールについて考え、開発してきた。それらの思考の一部とツールの一部は、植物に適用できる可能性がある」(Ristroph)。

研究者たちはすでに、ナノメディシン用のナノスケールデリバリービヒクルを作るために、様々なアーキテクチャと化学を開発している。「粒子の種類の中には、転写可能なものもある。人間の動きに最適化されたナノ粒子を植物に入れると、少なくともある程度は再設計が必要になる」(Ristroph)。

Ristrophは、コアシェル構造を持つ有機(炭素ベース)ナノキャリアに焦点を当てている。コアにはペイロードが含まれており、シェルには保護層が形成されている。研究者は、植物にさまざまな種類のナノ材料を使用してきた。最も一般的な材料は金属ナノ粒子であり、有機ナノ粒子よりも製造、取り扱い、および植物内の場所の追跡がやや容易である。

「最初に解明したい問題の1つは、これらのナノ粒子が植物のどこに行くのかということだ。炭素でできている植物の内部で金属を検出することは、炭素でできている植物内の炭素ベースのナノ粒子を検出するよりもはるかに簡単である」(Ristroph)。

昨年3月、Ristrophとパデュー大学の博士課程の学生。Luiza Stolte Bezerra Lisboa Oliveiraは、環境科学技術の植物における有機ナノデリバリービークルの取り込みと転座に関する研究文献の批判的なレビューを発表した。

「これらの物質が植物に入った後の形質転換や、それらがどのように代謝されるのかについては、あまり理解されていない」(Ristroph)。
同氏のチームは、ナノ粒子が適切な目的地に確実に届けられ、コロナ形成において、その研究に関心を持っている。コロナは、ナノ粒子の機能に影響を与える生体分子コーティングである。

ナノキャリアの製造可能性は、ナノメディシンから農業に転用できるもう一つの関心分野である。

「私は製造可能性に大いに関心を持っている。さらに、ナノ粒子を作るために使用している技術が何であれ、スケーラブルで経済的に実現可能であることを確認している」とRistrophは話している。