Các nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego và Đại học Case Western Reserve đã tiến một bước tới mục tiêu đó. Họ đã phát hiện ra một loại hạt nano sinh học - một loại virus thực vật - có khả năng vận chuyển các phân tử thuốc trừ sâu xuống sâu hơn mặt đất, đến những nơi mà thường chúng không thể tới.

Công việc này có thể giúp nông dân quản lý tốt hơn các loài dịch hại khó phòng trừ, như tuyến trùng hại rễ cây ở sâu trong đất, với lượng thuốc trừ sâu ít hơn. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology ngày 20 tháng 5.

Nicole Steinmetz, giáo sư về kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Nghe có vẻ trái ngược khi chúng ta có thể sử dụng virus thực vật để tăng cường sức khỏe thực vật. "Đây là một lĩnh vực nghiên cứu mới về công nghệ nano, nó cho thấy rằng chúng ta có thể sử dụng virus thực vật như những hệ thống phân phát thuốc trừ sâu. Nó tương tự như cách chúng ta sử dụng các hạt nano trong y học để đưa thuốc vào các các vị trí bệnh và làm giảm tác dụng phụ ở bệnh nhân".

Steinmetz giải thích: Thuốc trừ sâu là các phân tử rất dẻo dính khi được ứng dụng trên đồng ruộng. Chúng liên kết mạnh mẽ với chất hữu cơ trong đất, điều này khiến cho chúng khó xâm nhập sâu vào tầng rễ, nơi các loài dịch hại như tuyến trùng cư trú và gây hại.

Cuối cùng, để bù đắp, nông dân đã sử dụng một lượng lớn thuốc bảo vệ thực vật, làm dư lượng có hại tích tụ trong đất và ngấm xuống tầng nước ngầm.

Steinmetz và nhóm của cô đang làm việc để giải quyết vấn đề này. Trong một nghiên cứu mới, họ đã phát hiện ra một loại virus thực vật đặc biệt, virus khảm thuốc lá (TMGMV), có thể vận chuyển một lượng nhỏ thuốc trừ sâu vào sâu trong đất một cách dễ dàng.

Một loại virus hữu ích

Trong các thử nghiệm trong phòng, các nhà nghiên cứu đã gắn một loại thuốc trừ sâu mô hình vào các loại hạt nano khác nhau và tưới chúng qua các cột đất.

Virus khảm thuốc lá vượt trội so với hầu hết các hạt nano khác được thử nghiệm trong nghiên cứu. Nó đã mang thuốc trừ sâu mô hình xuống sâu hơn bề mặt là 30cm. Các hạt nano PLGA và mesoporous silica, mà các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu để vận chuyển thuốc trừ sâu và phân bón, đã mang theo thuốc trừ sâu mô hình xuống sâu được 8 và 12cm, tương ứng.

Các virus thực vật khác cũng đã được thử nghiệm. Virus khảm đậu đũa cũng mang tải trọng xuống sâu 30cm bên dưới bề mặt, nhưng nó chỉ mang được một phần tải trọng mà virus khảm thuốc lá có thể mang theo. Điều thú vị là virus khảm Physalis chỉ xuống được 4cm dưới bề mặt.

Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng hình học hạt nano và hóa học bề mặt có thể đóng một vai trò trong cách nó di chuyển trong đất. Ví dụ, sở hữu cấu trúc hình ống có thể là một phần lý do tại sao virus khảm thuốc lá đi xa hơn hầu hết các hạt nano khác có dạng hình cầu. Ngoài ra, hóa học bề mặt tự nhiên của nó đa dạng hơn các hạt tổng hợp như PLGA và silica, điều đó có thể khiến nó tương tác với đất theo cách khác. Trong khi các quy tắc thiết kế này có thể áp dụng cho virus khảm thuốc lá, thì các nhà nghiên cứu cho biết cần nhiều công việc hơn để hiểu rõ hơn tại sao các hạt nano khác lại hoạt động theo cách chúng đã cho ta thấy.

Steinmetz cho biết: "Chúng tôi đang sử dụng các khái niệm mà chúng tôi đã học được từ ngành y học nano, nơi mà chúng tôi đang phát triển các hạt nano để phân phối thuốc theo mục tiêu và áp dụng chúng vào lĩnh vực nông nghiệp". "Trong môi trường y tế, chúng tôi cũng thấy rằng các vật mang nano với dạng hình ống gầy và các chất hóa học bề mặt đa dạng có thể điều hướng cơ thể tốt hơn. Điều đó có nghĩa là một loại virus thực vật có thể dễ dàng xâm nhập và di chuyển trong đất hơn, có lẽ vì đó là nơi cư trú tự nhiên của nó".

Các nhà nghiên cứu cho biết, về mặt an toàn, virut khảm thuốc lá có thể lây nhiễm cho các cây thuộc họ cà (Solanaceae) như cà chua, khoai tây và cà tím, nhưng nó lại lành tính với hàng ngàn loài cây khác. Ngoài ra, virus này chỉ lây truyền qua tiếp xúc cơ học giữa hai cây, không truyền qua không khí. Điều đó có nghĩa là nếu một cánh đồng đang được xử lý bằng virus này thì các cánh đồng gần đó sẽ không có nguy cơ bị nhiễm.

Mô hình vận chuyển thuốc trừ sâu bệnh

Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một mô hình tính toán có thể được sử dụng để dự báo các vật liệu nano khác nhau mang thuốc bảo vệ thực vật hoạt động như thế nào trong đất - chúng có thể di chuyển sâu đến đâu, cần cung cấp bao nhiêu cho đất và sẽ mất bao lâu để chúng giải phóng lượng thuốc trừ sâu mà chúng tải theo.

Paul Chariou, nghiên cứu sinh tiến sĩ sinh học tại phòng thí nghiệm của Steinmetz tại UC San Diego cho biết: "Các nhà nghiên cứu làm việc với một loại virus thực vật hoặc vật liệu nano khác nhau có thể sử dụng mô hình của chúng tôi để xác định hạt của chúng hoạt động tốt như thế nào với vai trò là tác nhân vận chuyển thuốc phòng trừ sâu, bệnh".

"Nó cũng cắt giảm khối lượng công việc thử nghiệm", Chariou nói. Việc thử nghiệm với chỉ một loại hạt nano cho nghiên cứu này bao gồm chạy hàng trăm thử nghiệm, thu thập tất cả các phân mảnh từ mỗi cột và phân tích chúng. "Tất cả những việc này mất ít nhất một tháng. Nhưng với mô hình, chúng tôi chỉ mất khoảng 10 cột đất và 4 ngày để thử nghiệm một loại hạt nano mới", ông nói.

Bước tiếp theo, Steinmetz và nhóm của cô đang thử nghiệm các hạt nano virus khảm thuốc lá với các tải trọng thuốc khác nhau. Mục tiêu là để thử nghiệm chúng trên cánh đồng trong tương lai gần.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo Sciencedaily.