Op het podium opende Elizabeth Dougherty het gevouwen papier, de foliezegel flikkerde in het licht. "En de winnaar is, " pauzeerde ze voor dramatisch effect, "van de Universiteit van Virginia ...."
Maar er was niets meer te horen, gejammer en gejuich verdoezelden haar woorden. Vuisten werden in de lucht gepompt, tranen vergoten.
Dit triomfantelijke moment behoorde toe aan een team van studenten en hun adviseur, die deelnamen aan de Collegiate Inventors Competition op het hoofdkantoor van het US Patent and Trademark Office in Alexandria, Virginia. Dougherty, de USPTO-directeur van uitvinderseducatie, outreach en erkenning, en anderen die aanwezig waren, eerden Ameer Shakeel en Payam Pourtaheri voor het revolutionaire product AgroSpheres van hun groep, gemaakt met het doel de schadelijke bijwerkingen van pesticiden wereldwijd te elimineren.
Het duo stapte grimmig het podium op terwijl ze de zware gouden medailles droegen die aan hen werden gegeven als de algemene winnaars in de niet-gegradueerde divisie van de competitie. Deze zeer competitieve, landelijke wedstrijd moedigt 'innovatie, ondernemerschap en creativiteit' aan, met toonaangevende, door studenten geleide projecten van hogescholen en universiteiten in het hele land. (USPTO, dat samenwerkt met Smithsonian.com om verhalen over innovatie bij het Smithsonian Institution en daarbuiten te ondersteunen, is ook een sponsor van de competitie.) Naast de hardware nemen winnaars van de eerste plaats $ 10.000 mee naar huis met een extra $ 2.000 voor hun adviseur .
"Onze ouders zijn onze motivatie", zegt Pourtaheri op het podium na de aankondiging. “We zijn allebei niet in de Verenigde Staten geboren. Ze hebben ons hier gebracht en hun leven opnieuw opgestart zodat we kunnen doen wat we willen doen, 'zegt hij. "Als ze de lat zo hoog leggen, is het aan jou om ze trots te maken, omdat je wilt laten zien hoe trots je op ze bent."
Zijn onderzoekspartner was het ermee eens: "Ik was niet echt slim genoeg om naar een goede basisschool of middelbare school te gaan, " zegt Shakeel. Dus werkte zijn moeder 12 jaar op zijn school in Pakistan, zodat hij een goede opleiding kon volgen. "Daarna is het mijn verantwoordelijkheid om alles te doen wat ik kan met de geboden kansen."
Sinds 1990 erkent de Collegiate Inventors Competition het harde werk van zowel niet-gegradueerde als afgestudeerde uitvinders. Dit jaar won Carl Schoellhammer van het MIT de afgestudeerde divisie met zijn werk aan SuonoCalm, ontworpen om efficiëntere rectale medicijnafgifte te bieden - een zogenaamd "21st-eeuw klysma", zegt de chemisch ingenieur in zijn Twitter-ready uitleg. De tweede plaats in de bachelordivisie ging naar een team van Columbia University, dat werkt aan Cathecare, een product dat is ontworpen om kansen op infecties met de afgifte van kathetergeneesmiddelen te elimineren.
Van de finalisten leek AgroSpheres bijzonder baanbrekend, zegt Radia Pearlman, een computerwetenschapper die het meest bekend staat om haar uitvinding van Spanning Tree Protocol (STP) en een van de juryleden van de competitie. "Het wegwerken van pesticiden is een ongelooflijk belangrijk probleem, en diepgaande wetenschap in termen van hoe [zij] het eigenlijk doen", zegt ze.
Pesticiden worden ongebreideld wereldwijd gebruikt - met een wereldwijd gebruik van in totaal ongeveer 5, 2 miljard pond in zowel 2006 als 2007, volgens een uitgebreide EPA-studie. Hoewel deze verbindingen gunstig zijn voor de opbrengst en de kwaliteit van gewassen, hebben ze veel negatieve bijwerkingen voor dieren in het wild en mensen, zoals kanker.
Een van de grootste problemen, merkt Shakeel op, is dat ontwikkelingslanden de grootste last dragen van het gebruik van pesticiden. In deze regio's zijn de voorschriften beperkt. Kinderen maken vaak een aanzienlijk deel uit van het personeel op het platteland en velen kunnen werken zonder beschermende uitrusting of adequate training.
"We zijn allebei in ontwikkelingslanden geboren", legt Shakeel uit. "En we waren ons bewust van de sociale problemen die gepaard gaan met het gebruik van pesticiden - hoe dit het meest de boeren treft."
In de Verenigde Staten hanteert het Environmental Protection Agency (EPA) bepaalde pre-oogstintervallen (PHI's) - of tijdseisen tussen wanneer pesticiden worden toegepast en wanneer de gewassen worden geoogst. En hoewel deze periodes toelaten dat de verbindingen worden afgebroken tot veilige niveaus voor het oogsten, waardoor het risico voor de werknemers wordt verminderd, kunnen ze ook de oogst vertragen, wat gewasverlies veroorzaakt als slecht weer begint voordat de wachttijd is verstreken.
AgroSpheres elimineert de behoefte aan PHI's, waardoor de afbraak van pesticiden tot een kwestie van uren wordt versneld in tegenstelling tot weken of zelfs maanden, zegt Shakeel. Het idee ontstond twee jaar geleden nadat het paar hoorde van een eerdere poging van een UVA-team om "biodeeltjes" te maken, kleine biologisch gevormde bolletjes enzymen die kunnen interageren met en andere componenten afbreken. Maar dat onderzoek was daar geëindigd, zonder verfijning van het proces of praktische toepassing van het idee.
"Het is een uniek geval waarin we de oplossing voor het probleem hebben gevonden", zegt Pourtaheri. Dus begonnen ze manieren voor te stellen om het te gebruiken. Toen ze hun huidige adviseur, Mark Kester, co-directeur van het NanoSTAR Institute van de Universiteit van Virginia, benaderden, wist hij dat ze iets op het spoor waren.
Een van hun ideeën was om de biodeeltjes te gebruiken voor een effectievere of doelgerichte toediening van medicijnen, maar medisch onderzoek op die schaal is een grote opgave voor iedereen, niettemin studenten. Dus vertelde Kester hen: “Laten we hier eens wat eenvoudiger eindspelen bedenken. Waar is het laaghangende fruit? '
Dus schakelden ze letterlijk over op laaghangend fruit.
Payam Pourtaheri en Ameer Shakeel worden vergezeld door hun universitair adviseur, Mark Kester, na de prijsuitreiking van de Collegiate Inventors Competition. (USPTO) Shakeel, Pourtaheri en hun teamgenoten ontwikkelden biologische deeltjes die pesticiden afbreken op het oppervlak van planten. Hun eerste tests voor het opruimen van pesticiden vinden plaats in de wijngaarden van Virginia.
Hoewel het product patent aangevraagd is - dus de details van het daadwerkelijke mechanisme en het ontwerp ervan zijn beperkt - werkt AgroSpheres vanwege een aantal lastige engineering, legt Kester uit.
Bacteriën verzamelen de specifieke enzymen die nodig zijn om de pesticiden niet-toxisch af te breken tot eenvoudige verbindingen - suikers, vetten. Maar het team is erin geslaagd om deze bacteriën, die Kester liefdevol 'bugs' noemt, te manipuleren om deze enzymcocktail in groten getale te produceren.
"We hebben de bug laten doen, niet alleen om het biologische enzym te maken, maar om het daadwerkelijk in een 'met snoep beklede' schaal te stoppen die het beschermt", legt hij uit. Van bijzonder belang is dat de bacteriën dit doen zonder eigen genetisch materiaal op te nemen. Dit betekent dat het team de enzymen kan scheiden en deze biologische "M & M's" rechtstreeks op de planten kan voor-oogsten zonder zich zorgen te hoeven maken over besmetting of bacteriële replicatie.
Het idee is gebaseerd op het concept van "natuurlijke verzwakking", of het bevatten van het besmette gebied en het toestaan van natuurlijke processen - zoals bacteriële afbraak - om de toxische verbindingen af te breken tot goedaardige componenten. Maar natuurlijke demping duurt vaak weken of maanden, en het AgroSpheres-team beweert de actieve enzymen te kunnen concentreren om de tijdlijn voor dit proces drastisch te verminderen.
In het afgelopen jaar is hun team gegroeid met in totaal vijf zeer gemotiveerde studenten bij UVA. Drie zitten in hun laatste schooljaar en twee zijn afgelopen voorjaar afgestudeerd. "Je kunt een geweldig idee hebben, maar als je geen ongelooflijk team hebt, zal het mislukken", zegt Pourtaheri.
Het product heeft nog een lange weg te gaan voordat het op de markt komt en moet uitgebreid worden getest om de claims van niet-toxiciteit en milieuveiligheid op commerciële schaal te waarborgen. Toch zijn de teamleden het volkomen eens dat ze van plan zijn het onderzoek voort te zetten.
De onderzoekers hebben het idee in het laboratorium getest en voeren nu proeven uit in wijngaarden en kassen om erachter te komen hoe effectief de methode is en hoe lang het duurt voordat de enzymen zelf zijn afgebroken. In samenwerking met Amerikaanse regelgevende instanties, waaronder de EPA, USDA en FDA, werken ze aan het opschalen van het proces om het haalbaar te maken voor toepassingen op industriële schaal.
Ze hopen het ontwerp van de biodeeltjes te verbeteren en ze beter en efficiënter te maken, legt Joe Frank uit, die onderzoek en ontwikkeling leidt voor het bedrijf, opgericht in maart, en in zijn laatste schooljaar bij UVA zit. Ze hopen ook uit te breiden naar andere toepassingen, waaronder de afbraak van andere potentieel gevaarlijke verbindingen.
Op het podium vroeg Dougherty het duo wat er na de winst gebeurt.
"We hebben een vergadering in DC met een [intellectuele eigendom] advocaat om 2:30, " zegt Shakeel, neerkijkend op zijn horloge alvorens te lachen.
