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双胞胎技术的知识，探索新兴的植物纳米生物技术领域。这项研究旨在解决不可持续的农业实践并满足全球不断增长的食品需求。目前，农业占全球温室气体排放的14-28%，并使用70%的淡水抽取。这些因素以及其他因素为解决食品不安全和气候变化带来了重大挑战。新农业实践和技术的必要性在于，作物面临着严重天气、广泛害虫和土壤恶化的威胁。最近在《自然纳米技术》杂志上的一篇报告指出，植物纳米生物技术方法可以通过将微量营养素或植物保护产品等必需成分的纳米形式传递到特定生物目标来提供帮助。这使植物更能够抵御疾病和环境压力，从而提高作物产量和整体效率。然而，植物纳米生物技术领域仍处于早期阶段，许多新工具，如纳米载体的使用障碍尚未被研究人员完全理解。
为了解决这一挑战，土木与环境工程教授格雷格·洛瑞与加州大学河边分校的胡安·巴布罗·吉拉尔多以及同事和学生合作，探索受纳米医学启发的解决方案，超越植物和农业的范畴。
洛瑞表示：“我们发现，利用纳米载体在植物中传递营养的困难与纳米医学中的困难类似，后者是一个已建立且广泛研究的领域。”
史密斯博士说：“尽管植物和动物有明显的差异，但纳米医学极大地影响了我们的研究，帮助我们识别能够有效包装、传递和释放活性剂的纳米载体设计。”
研究表明，纳米载体在与目标生物体良好互动、穿越生物屏障和利用自然过程的同时，将意外后果降至最低时最为有效。该研究还探讨了创建植物和动物的“数字双胞胎”以评估各种纳米载体设计有效性的创新概念。
数字双胞胎是一种先进的建模技术，已广泛应用于基础设施管理、预测性维护和制造。它们在分析结构及其环境条件、处理数据，并利用这些数据来预测、通知和修改现实世界事件方面的卓越能力，改变了研究人员处理数据的方式。
与医学研究人员使用“数字患者”或数字双胞胎模型来模拟药物在体内的互动和运动类似，洛瑞和他的团队可以利用这一点。
通过利用纳米技术，我们可以改善营养成分向植物特定部位的传递方式。这将使必需的活性剂更容易到达最需要的区域，最终提高它们的有效性和整体农业产出。
洛瑞表示：“尽管面临技术挑战，但我相信在植物中使用纳米技术精确传递活性剂将对农业产生变革性的影响。我对植物纳米生物技术的未来及其所带来的积极影响持乐观态度。”
我们的可持续食品生产能力在很大程度上依赖于技术进步。发表在《自然纳米技术》上的一项研究讨论了在植物中实现纳米支持的精确传递的潜力。
