Ingeniører skaber planter, der gløder

Forestil dig, at i stedet for at tænde en lampe, når det bliver mørkt, du kunne læse i lyset af en glødende plante på dit skrivebord.

MIT-ingeniører har taget et kritisk første skridt mod at gøre denne vision til virkelighed. Ved at indlejre specialiserede nanopartikler i bladene på en brøndkarseplante, de fik planterne til at afgive svagt lys i næsten fire timer. De tror, ​​at med yderligere optimering, sådanne planter vil en dag være lyse nok til at oplyse et arbejdsområde.

"Visionen er at lave en plante, der skal fungere som en skrivebordslampe - en lampe, som du ikke behøver at tilslutte. Lyset drives i sidste ende af plantens energistofskifte, " siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatteren til undersøgelsen.

Denne teknologi kan også bruges til at levere lav-intensitet indendørs belysning, eller at forvandle træer til selvdrevne gadelygter, siger forskerne.

MIT postdoc Seon-Yeong Kwak er hovedforfatter af undersøgelsen, som står i journalen Nano bogstaver .

Nanobioniske planter

Plante nanobionics, et nyt forskningsområde, banebrydende af Stranos laboratorium, har til formål at give planter nye funktioner ved at indlejre dem med forskellige typer nanopartikler. Gruppens mål er at konstruere anlæg til at overtage mange af de funktioner, som nu udføres af elektriske enheder. Forskerne har tidligere designet anlæg, der kan detektere sprængstoffer og kommunikere den information til en smartphone, samt planter, der kan overvåge tørkeforhold.

Belysning, som tegner sig for omkring 20 procent af verdensomspændende energiforbrug, virkede som et logisk næste mål. "Planter kan selv reparere, de har deres egen energi, og de er allerede tilpasset det udendørs miljø, " siger Strano. "Vi tror, ​​det er en idé, hvis tid er inde. Det er et perfekt problem for plantenanobionics."

For at skabe deres glødende planter, MIT-holdet henvendte sig til luciferase, enzymet, der giver ildfluer deres glød. Luciferase virker på et molekyle kaldet luciferin, får den til at udsende lys. Et andet molekyle kaldet co-enzym A hjælper processen ved at fjerne et reaktionsbiprodukt, der kan hæmme luciferaseaktivitet.

MIT-teamet pakkede hver af disse tre komponenter i en anden type nanopartikelbærer. Nanopartiklerne, som alle er lavet af materialer, som U.S. Food and Drug Administration klassificerer som "generelt betragtet som sikre, " hjælper hver komponent med at komme til den rigtige del af planten. De forhindrer også komponenterne i at nå koncentrationer, der kan være giftige for planterne.

Forskerne brugte silica nanopartikler omkring 10 nanometer i diameter til at bære luciferase, og de brugte lidt større partikler af polymererne PLGA og chitosan til at bære luciferin og coenzym A, henholdsvis. For at få partiklerne ind i planteblade, forskerne suspenderede først partiklerne i en opløsning. Planter blev nedsænket i opløsningen og derefter udsat for højt tryk, lader partiklerne komme ind i bladene gennem små porer kaldet stomata.

Partikler, der frigiver luciferin og coenzym A, blev designet til at akkumulere i det ekstracellulære rum af mesofylet, et indre lag af bladet, mens de mindre partikler, der bærer luciferase, trænger ind i cellerne, der udgør mesofylet. PLGA-partiklerne frigiver gradvist luciferin, som så kommer ind i plantecellerne, hvor luciferase udfører den kemiske reaktion, der får luciferin til at lyse.

Forskernes tidlige indsats i starten af ​​projektet gav planter, der kunne gløde i omkring 45 minutter, som de siden har forbedret til 3,5 timer. Lyset, der genereres af en 10-centimeter brøndkarsefrøplante, er i øjeblikket omkring en tusindedel af den mængde, der er nødvendig for at læse af, men forskerne mener, at de kan øge lyset, der udsendes, samt lysets varighed, ved yderligere at optimere komponenternes koncentration og frigivelseshastigheder.

Plantetransformation

Tidligere bestræbelser på at skabe lysemitterende planter har været afhængig af gensplejsede planter til at udtrykke genet for luciferase, men dette er en besværlig proces, der giver ekstremt svagt lys. Disse undersøgelser blev udført på tobaksplanter og Arabidopsis thaliana, som almindeligvis bruges til plantegenetiske undersøgelser. Imidlertid, metoden udviklet af Stranos laboratorium kunne bruges på enhver type plante. Indtil nu, de har demonstreret det med rucola, grønkål, og spinat, foruden brøndkarse.

For fremtidige versioner af denne teknologi, forskerne håber at udvikle en måde at male eller sprøjte nanopartikler på planteblade, som kunne gøre det muligt at omdanne træer og andre store planter til lyskilder.

"Vores mål er at udføre én behandling, når planten er en frøplante eller en moden plante, og få det til at holde i plantens levetid, " siger Strano. "Vores arbejde åbner meget seriøst døren til gadelygter, der ikke er andet end behandlede træer, og indirekte belysning omkring boliger."

Forskerne har også vist, at de kan slukke lyset ved at tilføje nanopartikler, der bærer en luciferasehæmmer. Dette kunne sætte dem i stand til i sidste ende at skabe planter, der lukker deres lysemission som reaktion på miljøforhold såsom sollys, siger forskerne.