Bioniske planter:Syntetiske nanopartikler forbedrer planters fotosyntetiske aktivitet

Planter har mange værdifulde funktioner:De giver mad og brændstof, frigive den ilt, vi indånder, og tilføje skønhed til vores omgivelser. Nu, et hold af MIT-forskere ønsker at gøre planter endnu mere nyttige ved at forstærke dem med nanomaterialer, der kan forbedre deres energiproduktion og give dem helt nye funktioner, såsom overvågning af miljøforurenende stoffer.

I en ny Naturmaterialer papir, forskerne rapporterer at øge planters evne til at fange lysenergi med 30 procent ved at indlejre kulstofnanorør i kloroplasten, planteorganellen, hvor fotosyntesen finder sted. Brug af en anden type kulstof nanorør, de modificerede også planter for at påvise gassen nitrogenoxid.

Sammen, disse repræsenterer de første skridt i lanceringen af ​​et videnskabeligt felt, som forskerne har døbt "plantenanobionik."

"Planter er meget attraktive som teknologiplatform, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik og leder af MIT-forskerteamet. "De reparerer sig selv, de er miljømæssigt stabile udenfor, de overlever i barske omgivelser, og de sørger for deres egen strømkilde og vanddistribution."

Strano og avisens hovedforfatter, postdoc og plantebiolog Juan Pablo Giraldo, forestille sig at gøre planter til selvdrevne, fotoniske enheder såsom detektorer for sprængstoffer eller kemiske våben. Forskerne arbejder også på at inkorporere elektroniske enheder i planter. "Potentialet er virkelig uendeligt, " siger Strano.

Superladet fotosyntese

Idéen til nanobioniske planter voksede ud af et projekt i Stranos laboratorium om at bygge selvreparerende solceller efter planteceller. Som et næste skridt, forskerne ønskede at prøve at forbedre den fotosyntetiske funktion af kloroplaster isoleret fra planter, til mulig brug i solceller.

Kloroplaster er vært for alle de maskiner, der er nødvendige for fotosyntese, som foregår i to trin. I løbet af den første fase, pigmenter som klorofyl absorberer lys, som exciterer elektroner, der strømmer gennem kloroplastens thylakoidmembraner. Planten fanger denne elektriske energi og bruger den til at drive anden fase af fotosyntesen - opbygning af sukker.

Kloroplaster kan stadig udføre disse reaktioner, når de fjernes fra planter, men efter et par timer, de begynder at nedbrydes, fordi lys og ilt skader de fotosyntetiske proteiner. Normalt kan planter fuldstændig reparere denne form for skade, men udvundne kloroplaster kan ikke klare det alene.

For at forlænge kloroplasternes produktivitet, forskerne indlejrede dem med ceriumoxid-nanopartikler, også kendt som nanoceria. Disse partikler er meget stærke antioxidanter, der opfanger iltradikaler og andre meget reaktive molekyler produceret af lys og ilt, beskytte kloroplasterne mod skader.

Forskerne leverede nanoceria ind i kloroplasterne ved hjælp af en ny teknik, de udviklede, kaldet lipid exchange kappepenetration, eller LEEP. Indpakning af partiklerne i polyakrylsyre, et højt ladet molekyle, lader partiklerne trænge ind i fedtet, hydrofobe membraner, der omgiver kloroplaster. I disse kloroplaster, niveauer af skadelige molekyler faldt dramatisk.

Ved at bruge samme leveringsteknik, forskerne indlejrede også halvledende kulstof nanorør, belagt med negativt ladet DNA, ind i kloroplasterne. Planter bruger typisk kun omkring 10 procent af det sollys, de har til rådighed, men kulstof nanorør kunne fungere som kunstige antenner, der gør det muligt for kloroplaster at fange bølgelængder af lys, der ikke er i deres normale rækkevidde, såsom ultraviolet, grøn, og nær-infrarød.

Med kulstofnanorør, der ser ud til at fungere som en "protetisk fotoabsorber, " fotosyntetisk aktivitet - målt ved hastigheden af ​​elektronstrøm gennem thylakoidmembranerne - var 49 procent større end i isolerede kloroplaster uden indlejrede nanorør. Når nanoceria og kulstof nanorør blev leveret sammen, kloroplasterne forblev aktive i nogle ekstra timer.

Forskerne vendte sig derefter til levende planter og brugte en teknik kaldet vaskulær infusion til at levere nanopartikler ind i Arabidopsis thaliana , en lille blomstrende plante. Ved at bruge denne metode, forskerne påførte en opløsning af nanopartikler på undersiden af ​​bladet, hvor det trængte ind i små porer kendt som stomata, som normalt tillader kuldioxid at strømme ind og ilt at strømme ud. I disse planter, nanorørene flyttede ind i kloroplasten og øgede den fotosyntetiske elektronstrøm med omkring 30 procent.

Endnu skal man opdage, hvordan den ekstra elektronstrøm påvirker planternes sukkerproduktion. "Dette er et spørgsmål, som vi stadig forsøger at besvare i laboratoriet:Hvad er virkningen af ​​nanopartikler på produktionen af ​​kemiske brændstoffer som glucose?" siger Giraldo.

Magre grønne maskiner

Forskerne viste også, at de kunne vende Arabidopsis thaliana planter ind i kemiske sensorer ved at levere kulstof nanorør, der detekterer gassen nitrogenoxid, et miljøforurenende stof produceret ved forbrænding.

Stranos laboratorium har tidligere udviklet kulstof nanorør-sensorer til mange forskellige kemikalier, herunder hydrogenperoxid, det eksplosive TNT, og nervegassen sarin. Når målmolekylet binder til en polymer viklet rundt om nanorøret, det ændrer rørets fluorescens.

"Vi kunne en dag bruge disse kulstof nanorør til at lave sensorer, der registrerer i realtid, på enkeltpartikelniveau, frie radikaler eller signalmolekyler, der er i meget lav koncentration og svære at opdage, " siger Giraldo.

Ved at tilpasse sensorerne til forskellige mål, forskerne håber at udvikle planter, der kan bruges til at overvåge miljøforurening, pesticider, svampeinfektioner, eller udsættelse for bakterielle toksiner. De arbejder også på at inkorporere elektroniske nanomaterialer, såsom grafen, ind i planter.

"Lige nu, næsten ingen arbejder i dette nye område, " siger Giraldo. "Det er en mulighed for folk fra plantebiologi og det kemitekniske nanoteknologiske samfund til at arbejde sammen i et område, der har et stort potentiale."