Imaginez une technologie qui pourrait cibler les pesticides pour traiter des endroits spécifiques profondément dans le sol, les rendant plus efficaces pour contrôler les infestations tout en limitant leur toxicité pour l'environnement.

Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université Case Western Reserve ont fait un pas vers cet objectif. Ils ont découvert qu'une nanoparticule biologique - un virus végétal - est capable de délivrer des molécules de pesticides plus profondément sous le sol, à des endroits qui sont normalement hors de leur portée.

Le travail pourrait aider les agriculteurs à mieux gérer les ravageurs difficiles, comme les nématodes parasites qui font des ravages sur les racines des plantes profondément dans le sol, avec moins de pesticides. L'ouvrage est publié le 20 mai dans la revue Nature Nanotechnologie .

« Cela semble contre-intuitif que nous puissions utiliser un virus végétal pour traiter la santé des plantes, " a déclaré Nicole Steinmetz, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude. « Il s'agit d'un domaine de recherche émergent en nanotechnologie qui montre que nous pouvons utiliser des virus végétaux comme systèmes d'administration de pesticides. C'est similaire à la façon dont nous utilisons les nanoparticules en médecine pour cibler les médicaments sur les sites de la maladie et réduire leurs effets secondaires chez les patients. »

Les pesticides sont des molécules très collantes lorsqu'ils sont appliqués sur le terrain, Steinmetz a expliqué. Ils se lient fortement à la matière organique du sol, ce qui rend difficile d'en obtenir suffisamment pour pénétrer profondément dans le niveau des racines où résident des parasites comme les nématodes et causent des dommages.

Pour compenser, les agriculteurs finissent par appliquer de grandes quantités de pesticides, qui provoquent l'accumulation de résidus nocifs dans le sol et le lessivage dans les eaux souterraines.

Steinmetz et son équipe s'efforcent de résoudre ce problème. Dans une nouvelle étude, ils ont découvert qu'un virus végétal particulier, Virus de la mosaïque verte douce du tabac, peut transporter facilement de petites quantités de pesticides en profondeur dans le sol.

Un virus utile

Dans les tests en laboratoire, les chercheurs ont attaché un insecticide modèle à différents types de nanoparticules et les ont arrosées à travers des colonnes de sol.

Le virus de la mosaïque verte douce du tabac a surpassé la plupart des autres nanoparticules testées dans l'étude. Il a transporté sa cargaison jusqu'à 30 centimètres sous la surface. PLGA et nanoparticules de silice mésoporeuses, que les chercheurs ont étudié pour l'administration de pesticides et d'engrais, emportaient leurs charges utiles à 8 et 12 centimètres de profondeur, respectivement.

D'autres virus végétaux ont également été testés. Le virus de la mosaïque du niébé transportait également sa charge utile à 30 centimètres de profondeur sous la surface, mais il ne peut transporter qu'une fraction de la charge utile que le virus de la mosaïque verte légère du tabac peut transporter. De façon intéressante, Le virus de la mosaïque Physalis n'a atteint que 4 centimètres sous la surface.

Les chercheurs émettent l'hypothèse que la géométrie des nanoparticules et la chimie de surface pourraient jouer un rôle dans la façon dont elles se déplacent dans le sol. Par exemple, avoir une structure tubulaire pourrait expliquer en partie pourquoi le virus de la mosaïque verte douce du tabac voyage plus loin que la plupart des autres nanoparticules de forme sphérique. Aussi, sa chimie de surface est naturellement plus diversifiée que les particules synthétiques comme le PLGA et la silice, ce qui pourrait l'amener à interagir différemment avec le sol. Bien que ces règles de conception puissent s'appliquer au virus de la mosaïque verte légère du tabac, les chercheurs disent que davantage de travail est nécessaire pour mieux comprendre pourquoi les autres nanoparticules se comportent comme elles le font.

"Nous prenons des concepts que nous avons appris de la nanomédecine, où nous développons des nanoparticules pour l'administration ciblée de médicaments, et les appliquer à l'agriculture, " A déclaré Steinmetz. " Dans le cadre médical, on voit aussi que les nanocarriers avec skinny, les formes tubulaires et les chimies de surface diverses peuvent mieux naviguer dans le corps. Il est logique qu'un virus végétal puisse plus facilement pénétrer et se déplacer dans le sol, probablement parce que c'est là qu'il réside naturellement."

En termes de sécurité, Le virus de la mosaïque verte douce du tabac peut infecter les plantes de la famille des solanacées (ou morelle) comme les tomates, pommes de terre et aubergines, mais est inoffensif pour des milliers d'autres espèces végétales. Aussi, le virus ne se transmet que par contact mécanique entre deux plantes, pas par l'air. Cela signifie que si un champ est traité avec ce virus, nearby fields would not be at risk for contamination, les chercheurs ont dit.

Modeling pesticide delivery

The team also developed a computational model that can be used to predict how different pesticide nanocarriers behave in the soil—how deep they can travel; how much of them need to be applied to the soil; and how long they will take to release their load of pesticide.

"Researchers working with a different plant virus or nanomaterial could use our model to determine how well their particle would work as a pesticide delivery agent, " said first author Paul Chariou, un doctorat en bio-ingénierie. student in Steinmetz's lab at UC San Diego.

"It also cuts down on experimental workload, " Chariou said. Testing just one nanoparticle for this study involves running hundreds of assays, collecting all the fractions from each column and analyzing them. "This all takes at least one month. But with the model, it only took us about 10 soil columns and 4 days to test a new nanoparticle, " il a dit.

Comme prochaine étape, Steinmetz and her team are testing Tobacco mild green mosaic virus nanoparticles with pesticide loads. The goal is to test them in the field in the near future.

The paper is titled "Soil mobility of synthetic and virus-based model nanoparticles."