Растущий мировой спрос на растительные продукты питания делает использование пестицидов необходимым для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей и обеспечения урожайности. Однако есть один существенный недостаток: широкое использование пестицидов привело к значительному сокращению популяций насекомых, включая пчел, в прошлом. Сокращение популяции диких пчел, которые вносят значительный вклад в опыление и, следовательно, необходимы для сельскохозяйственной урожайности, вызывает особую тревогу.
Для решения дилеммы ученые Института электронных микросистем и твердотельных технологий Фраунгофера (сокращенно EMFT) работают над разработкой новых типов датчиков в рамках исследовательского проекта Ökotox. Эти датчики предназначены для выявления «враждебных пчелам» веществ на ранних этапах разработки новых средств защиты растений. Результаты опубликованы в журнале Applied Research.
«Наша цель - чтобы эти датчики показывали вредное воздействие на насекомых в течение нескольких часов и в то же время позволяли параллельно тестировать множество веществ, экономя время и деньги», - говорит профессор Йоахим Вегенер. Вегенер - руководитель кафедры Фраунгофера «Клеточные сенсорные технологии», которая находится в кампусе Университета Регенсбурга (UR) и тесно связана с Институтом аналитической химии, хемо- и биосенсоров в UR.
Основная концепция нового подхода основана на использовании клеток насекомых в качестве сенсоров. Эти клетки обладают метаболизмом, типичным для соответствующих насекомых, и могут фиксировать любое вредное воздействие при воздействии биоактивных веществ. «Клетки переносятся в лабораторные чашки, оснащенные микроэлектродами на дне», - объясняет Вегенер. В этих так называемых многоэлектродных матрицах сопротивление клеток переменному току (импеданс) определяется в режиме реального времени и сообщает о вредном воздействии на клетки.
Основной принцип измерения электрического импеданса ячейки-подложки (ECIS). Фото: Applied Research (2024). DOI: 10.1002/appl.202400032.
Метод может дополнять обычные биоаналитические тесты, которые используются для определения токсической концентрации изолированного активного ингредиента. Однако пестициды обычно содержат многочисленные добавки, которые часто ответственны за непреднамеренные токсические эффекты. С помощью датчиков клеток насекомых эффект всей смеси проверяется в одном эксперименте. Это позволяет быстро идентифицировать биологические эффекты новых формул.
Клетки выращиваются в лаборатории. Они замораживаются непосредственно в лунках многоэлектродных матриц и хранятся при низких температурах. Теперь клетки можно размораживать по мере необходимости, и они готовы к тестированию в течение нескольких минут, даже прямо в полевых условиях, независимо от лаборатории по культивированию клеток. Это позволяет эффективно и экономически эффективно готовить большие партии сенсорных клеток задолго до проведения тестирования.
На сегодняшний день пять различных пестицидов были протестированы на их острую клеточную токсичность с использованием этой сенсорной технологии. «Результаты показывают, что некоторые пестициды, продаваемые для бытового использования, токсичны в концентрациях, которые намного ниже рекомендуемой концентрации применения», - говорит Стефани Михаэлис, которая отвечает за проект.
Для автоматизации применения электродных матриц с датчиками исследовательская группа Fraunhofer EMFT разработала демонстрационное устройство, которое размораживает клетки и добавляет образцы. «Устройство обеспечивает точную дозировку и исключает любое перекрестное загрязнение», - объясняет Кристиан Хохрайтер, который спроектировал и разработал прототип.
Степень, в которой результаты с клетками насекомых отражают влияние на живых насекомых, станет предметом дальнейших исследований. Помимо обнаружения острого инсектицидного эффекта, тот же принцип сенсора будет использоваться для изучения различных функций клеток (фенотипов) и позволит в будущем проводить одновременное исследование клеток разных видов насекомых. «Наша цель — создать комплексный профиль воздействия веществ, который выходит за рамки их чистой острой токсичности для одного вида», - заключил Вегенер.
Источник: Universität Regensburg. Автор: Каролина Штюрмер.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.