قد يبدو مستقبل اللقاحات أشبه بتناول سلطة أكثر من الحصول على حقنة في الذراع. يدرس علماء جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد ما إذا كان بإمكانهم تحويل النباتات الصالحة للأكل مثل الخس إلى مصانع لقاح.
تعمل تقنية Messenger RNA أو mRNA، المستخدمة في لقاحات COVID-19، عن طريق تعليم خلايانا التعرف على الأمراض المعدية وحمايتنا منها.
تتمثل إحدى التحديات التي تواجه هذه التقنية الجديدة في أن اللقاحات يجب أن تظل باردة للحفاظ على استقرارها أثناء النقل والتخزين. إذا نجح هذا المشروع الجديد، فإن لقاحات الرنا المرسال النباتية - التي يمكن تناولها - يمكن أن تتغلب على هذا التحدي من خلال القدرة على تخزينها في درجة حرارة الغرفة.
أهداف المشروع، التي تم تحقيقها من خلال منحة قدرها 500000 دولار مقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية، هي مضاعفة ثلاث مرات: إظهار أن الحمض النووي الذي يحتوي على لقاحات mRNA يمكن تسليمه بنجاح إلى جزء من الخلايا النباتية حيث سيتم تكاثره، مما يدل على أن النباتات يمكن أن تنتج ما يكفي من mRNA لمنافسة الجرعة التقليدية، ومن ثم أخيراً تحديد الجرعة الصحيحة.
قال خوان بابلو جيرالدو، الأستاذ المساعد في قسم علم النبات وعلوم النبات بجامعة كاليفورنيا والذي يقود البحث، الذي تم إجراؤه بالتعاون مع علماء من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وكارنيجي جامعة ميلون. قال: نحن نختبر هذا النهج مع السبانخ والخس، ولدينا أهداف طويلة المدى للأشخاص الذين يزرعونها في حدائقهم الخاصة. يمكن للمزارعين أيضاً في نهاية المطاف أن يزرعوا حقولهم بأكملها.
المفتاح لإنجاز هذا العمل هو البلاستيدات الخضراء - وهي أعضاء صغيرة في الخلايا النباتية تحول ضوء الشمس إلى طاقة يمكن للنبات أن يستخدمها. قال جيرالدو: إنها مصانع صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية وتنتج السكر والجزيئات الأخرى التي تسمح للنبات بالنمو. إنها أيضاً مصدر غير مستغل لصنع الجزيئات المرغوبة.
في الماضي أظهر جيرالدو أنه من الممكن للبلاستيدات الخضراء أن تعبر عن جينات ليست جزءاً طبيعياً من النبات. فعل هو وزملاؤه ذلك عن طريق إرسال مادة وراثية غريبة إلى خلايا نباتية داخل غلاف واقٍ. يعتبر تحديد الخصائص المثلى لهذه الأغلفة للتسليم في الخلايا النباتية من اختصاص مختبر جيرالدو.
من أجل هذا المشروع، تعاون جيرالدو مع نيكول شتاينميتز، أستاذة الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، للاستفادة من التقنيات النانوية التي صممها فريقها والتي ستنقل المواد الجينية إلى البلاستيدات الخضراء.
قالت شتاينميتز: تتمثل فكرتنا في إعادة توظيف الجسيمات النانوية التي تحدث بشكل طبيعي، وبالتحديد فيروسات النبات، لتوصيل الجينات إلى النباتات. تدخل بعض الهندسة في هذا لجعل الجسيمات النانوية تذهب إلى البلاستيدات الخضراء وأيضاً لجعلها غير معدية تجاه النباتات.
بالنسبة إلى جيرالدو، فإن فرصة تطوير هذه الفكرة باستخدام الرنا المرسال هي تتويج لحلم. قال جيرالدو: أحد الأسباب التي دفعتني إلى بدء العمل في مجال تقنية النانو هو أنه يمكنني تطبيقها على المصانع وإنشاء حلول تقنية جديدة. ليس فقط للطعام، ولكن للمنتجات عالية القيمة أيضاً، مثل المستحضرات الصيدلانية.
جيرالدو يشارك أيضاً في قيادة مشروع ذي صلة باستخدام المواد النانوية لتوصيل النيتروجين، وهو سماد، مباشرة إلى البلاستيدات الخضراء، حيث تحتاجه النباتات بشدة.
النيتروجين محدود في البيئة، لكن النباتات تحتاجه للنمو. يستخدم معظم المزارعين النيتروجين في التربة. نتيجة لذلك، ينتهي نصف هذه الأسمدة تقريباً في المياه الجوفية، مما يؤدي إلى تلويث المجاري المائية، ما يؤدي إلى تكاثر الطحالب والتفاعل مع الكائنات الحية الأخرى. كما أنه ينتج أكسيد النيتروز، وهو ملوث آخر خطير.
هذا النهج البديل من شأنه أن يدخل النيتروجين إلى البلاستيدات الخضراء من خلال الأوراق ويتحكم في إطلاقها، وهي طريقة أكثر فاعلية للتطبيق يمكن أن تساعد المزارعين وتحسن البيئة.
منحت مؤسسة العلوم الوطنية جيرالدو وزملاءه 1.6 مليون دولار لتطوير تقنية توصيل النيتروجين المستهدفة.
قال جيرالدو: أنا متحمس جداً لكل هذا البحث. أعتقد أنه يمكن أن يكون له تأثير كبير على حياة الناس.
نقدم لكم هنا لمحة هامة عن تطور تقنية النانو في علم النبات وتحديداً في محاولة تحسين نوع الأسمدة المستخدمة حتى تتضح أهمية البحث الوارد أعلاه في إمكانية تحويل بعض النباتات إلى مصانع لقاح نباتية.
يعتبر النيتروجين، أهم عنصر في الأسمدة عند الحكم عليه من حيث الطاقة اللازمة لتركيبه والحمولة المستخدمة والقيمة المالية. ومع ذلك، بالمقارنة مع كميات النيتروجين المطبقة على التربة، فإن كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) من قبل المحاصيل منخفضة للغاية. يفقد النبات ما بين 50 و70% من النيتروجين المطبق باستخدام الأسمدة التقليدية (وهي تركيبات مغذيات نباتية ذات أبعاد أكبر من 100 نانومتر) بسبب الترشيح في شكل نترات قابلة للذوبان في الماء، وانبعاث الأمونيا الغازية وأكاسيد النيتروجين، والدمج طويل الأجل لمادة النيتروجين المعدني في المواد العضوية للتربة عن طريق الكائنات الحية الدقيقة في التربة. لم تحقق محاولات عديدة لزيادة NUE حتى الآن نجاحاً كبيراً، وربما حان الوقت لتطبيق تقنية النانو لحل بعض هذه المشكلات.
لقد ثبت مؤخراً أن الأنابيب النانوية الكربونية تخترق بذور البندورة، كما تبين أن جزيئات أكسيد الزنك النانوية تدخل في نسيج جذر عشبة الريجراس. يشير هذا إلى أنه يمكن تطوير أنظمة جديدة لتوصيل المغذيات تستغل المجالات المسامية النانوية على أسطح النباتات. لكن قد تتم عرقلة الاستخدام المحتمل لتقنية النانو لتحسين تركيبات الأسمدة وذلك بسبب انخفاض تمويل البحوث وعدم وجود لوائح وسياسات ابتكارية واضحة. تظهر وثائق براءات الاختراع الحالية أن استخدام التكنولوجيا النانوية في تطوير الأسمدة لا يزال منخفضاً نسبياً (حوالي 100 براءة اختراع وطلبات براءات اختراع بين عامي 1998 و 2008) مقارنة بالمستحضرات الصيدلانية (أكثر من 6000 براءة اختراع وطلبات براءات اختراع خلال نفس الفترة).
يشير السماد النانوي إلى منتج يوفر العناصر الغذائية للمحاصيل بإحدى الطرق الثلاث. يمكن تغليف المغذيات داخل المواد النانوية مثل الأنابيب النانوية أو المواد النانوية المسامية، أو ترسل إلى النبات مغلفة بغشاء بوليمر واق رقيق، أو يتم تسليمها كجسيمات أو مستحلبات ذات أبعاد نانوية. نظراً لارتفاع مساحة السطح إلى نسبة الحجم، قد تتجاوز فعالية الأسمدة النانوية أكثر الأسمدة التقليدية المغلفة بالبوليمر ابتكاراً، والتي شهدت تحسناً طفيفاً في السنوات العشر الماضية.
من الناحية المثالية، يمكن أن توفر تكنولوجيا النانو أجهزة وآليات لمزامنة إطلاق النيتروجين (من الأسمدة) مع امتصاص المحاصيل له، يجب أن تطلق الأسمدة النانوية العناصر الغذائية عند الطلب مع منعها من التحول المبكر إلى أشكال كيميائية - غازية لا يمكن للنباتات امتصاصها. يمكن تحقيق ذلك عن طريق منع العناصر الغذائية من التفاعل مع التربة والمياه والكائنات الحية الدقيقة، وإطلاق المغذيات فقط عندما يمكن استيعابها مباشرة بواسطة النبات.
بدأت أمثلة على هذه الاستراتيجيات النانوية في الظهور. تم استخدام المركبات النانوية ثنائية الهيدروكسيد المكونة من الزنك والألومنيوم للإطلاق المتحكم فيه للمركبات الكيميائية التي تنظم نمو النبات. تمت المطالبة بإنتاجية محسنة للأسمدة التي يتم دمجها في الأنابيب النانوية القوقعية (صفائح ثنائية الطبقة الدهنية ملفوفة). تم التحكم في إطلاق النيتروجين عن طريق التحلل المائي لليوريا من خلال إدخال إنزيمات اليورياز في السيليكا النانوية. على الرغم من أن هذه الأساليب واعدة، إلا أنها تفتقر إلى الآليات التي يمكنها التعرف على احتياجات النبات والاستجابة لها والتغيرات في مستويات النيتروجين في التربة. إن تطوير الأغشية النانوية الوظيفية والأجهزة لديها القدرة على إنتاج مكاسب كبيرة في NUE وإنتاج المحاصيل.
بالإضافة إلى زيادة NUE، قد تكون تقنية النانو قادرة على تحسين أداء الأسمدة بطرق أخرى. على سبيل المثال، نظراً لخصائصه التحفيزية الضوئية، تم دمج ثاني أكسيد التيتانيوم بحجم النانو في الأسمدة كمضاف مبيد للجراثيم. علاوة على ذلك، قد يؤدي ثاني أكسيد التيتانيوم أيضاً إلى تحسين غلة المحاصيل من خلال الامتصاص الضوئي لغاز النيتروجين. علاوة على ذلك، فقد ثبت أن جزيئات النانوسيليكا التي تمتصها الجذور تشكل أغشية على جدران الخلايا، والتي يمكن أن تعزز مقاومة النبات للإجهاد وتؤدي إلى تحسين الغلال.
من الواضح أن هناك فرصة لتقنية النانو لإحداث تأثير عميق على الطاقة والاقتصاد والبيئة من خلال تحسين منتجات الأسمدة. يجب استكشاف آفاق جديدة لدمج تقنيات النانو في الأسمدة، مع مراعاة أي مخاطر محتملة على البيئة أو على صحة الإنسان. من خلال الجهود المستهدفة من قبل الحكومات والأكاديميين في تطوير مثل هذه المنتجات الزراعية الممكنة، نعتقد أن تكنولوجيا النانو ستكون تحويلية في هذا المجال.