医疗模式如何改变农业

卡内基梅隆大学土木与环境工程系的研究人员正在利用纳米医学和数字孪生技术的发现来了解植物纳米生物技术的新领域，解决不可持续的农业实践，并满足日益增长的全球粮食需求。

目前，农业占全球温室气体排放量的 14-28%，占淡水消耗总量的 70%。再加上极端天气事件、农作物害虫猖獗和土壤迅速退化等一系列其他因素，我们迫切需要新的农业实践和技术。

在《自然纳米技术》杂志发表的一项新研究中，研究人员强调，植物纳米生物技术方法可用于将纳米形式的活性剂(如微量营养素或植物保护产品)输送到特定的生物目标。因此，植物对疾病和极端高温或土壤含盐量等有害环境因素的抵抗力更强，从而提高了作物产量和总体效率。然而，由于植物纳米生物技术领域仍处于起步阶段，研究人员仍不知道实施纳米载体等新工具的许多挑战。

为了克服这一障碍，土木与环境工程教授 Greg Lowry 与加州大学河滨分校的共同通讯作者 Juan Pablo Giraldo、同事和学生合作，在植物和农业之外寻找受纳米医学启发的解决方案。

“我们发现，使用纳米载体为植物输送营养物质的挑战与纳米医学面临的挑战相似，纳米医学的优势在于它是一个成熟且研究充分的领域，”Lowry 说道。“虽然植物和动物之间存在一些关键差异，但我们研究的许多重要部分都受到了纳米医学的影响，包括确定可以确保活性剂在需要的地方有效包装、输送和释放的纳米载体设计。”

与纳米医学类似，研究人员发现，当纳米载体与目标生物体良好互动、突破关键生物屏障、利用自然过程并尽量减少意外后果时，它们最成功。该研究还探索了创建植物“数字孪生”的潜在变革方法，以评估不同纳米载体设计的功效。

数字孪生是一种突破性的建模技术，已广泛应用于基础设施管理、预测性维护和制造领域。它们具有分析结构及其周围条件、处理信息以及利用信息来通知、预测和修改物理世界中发生的事情的独特能力，彻底改变了研究人员处理数据的方式。

正如医学研究人员使用“数字患者”或数字孪生模型来模拟药物如何与身体相互作用并在体内移动一样，Lowry 和他的团队可以使用“数字植物”来促进纳米载体的设计，以将营养物质输送到选定的植物器官。这样一来，纳米载体将能够更好地在最需要的时间和地点输送必需的活性剂，从而提高其有效性、抗逆性以及整体农业产量。

“纳米技术能够精准输送植物中的活性剂，这将彻底改变农业，但我们必须首先克服一些关键的技术挑战，才能充分发挥其优势，”劳瑞说。“我对植物纳米生物技术方法的未来以及它对我们可持续生产粮食的能力所产生的有益影响充满信心。”