De wetenschappelijke en technologische literatuur bruist van nanotechnologie en haar fabricage- en medische toepassingen. Maar het is in een gebied met een minder blitse uitstraling - plantenwetenschappen - waar de vooruitgang in nanotechnologie een dramatische bijdrage levert aan de landbouw.

Onderzoekers van de Iowa State University hebben nu het vermogen aangetoond om eiwitten en DNA in plantencellen af ​​te leveren. tegelijkertijd. Dit is belangrijk omdat het nu mogelijkheden biedt voor meer geavanceerde en gerichte bewerking van het genoom van planten - technieken die de precieze levering van zowel eiwit als DNA vereisen om specifieke genmodificaties in gewasplanten teweeg te brengen. Dergelijke aanpassingen worden steeds belangrijker in het licht van onze veranderende klimaten als nieuwe insectenplagen, plantenziekten en bodemstress komen naar voren waar er voorheen weinig waren.

Terwijl DNA-afgifte in cellen routine is geworden, het leveren van eiwitten en enzymen aan zowel dierlijke als plantaardige cellen is een grotere uitdaging gebleken. De vooruitgang op het gebied van eiwitlevering door het Iowa State-team is een belangrijke prestatie in dit verband.

Een onderzoekspaper waarin de vooruitgang wordt beschreven, is online gepubliceerd door het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Het werk werd gedeeltelijk gesponsord door Pioneer Hi-Bred met langdurige steun van het Plant Sciences Institute van de Iowa State University.

Het onderzoeksteam van de staat Iowa omvat Kan Wang, hoogleraar agronomie; Brian Trewyn, associate wetenschapper in de chemie; Susana Martin-Ortigosa, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de agronomie; en Justin Valenstein, een doctoraalstudent scheikunde.

Nanodeeltjes zijn minuscule materialen die even groot zijn als verschillende moleculen die naast elkaar zitten of zo groot zijn als een groot virus. Een enkele nanometer is een miljardste van een meter. Het virus dat aids veroorzaakt heeft een diameter van ongeveer 100 nanometer.

Met behulp van nieuwe en verbeterde, op maat gemaakte honingraatachtige mesoporeuze silica-nanodeeltjes die het Iowa State-team vijf jaar geleden ontwierp, de onderzoekers hebben de gelijktijdige levering van functioneel eiwit en DNA in plantencellen aangetoond.

De eerste generatie van deze op maat gemaakte deeltjes waren relatief klein (100 nanometer) en daarom waren de beschikbare pakruimten niet in staat grotere functionele moleculen zoals eiwitten of enzymen te huisvesten. Deze volgende generatie is vijf keer zo groot (500 nanometer) en ziet eruit als een ultrafijn stukje honingraatgraan.

De sleutel tot het succes van de onderzoekers is een nieuw ontwikkelde methode om grotere uniforme zakjes te maken in de aangepaste nanodeeltjes. Een extra modificatie - vergulden van het hele silicadeeltje voorafgaand aan het verpakken - verbeterde de DNA- en eiwitbinding voor een veiligere lading.

Om de effectiviteit van het nieuwe deeltje te testen, Wang en haar collega's vulden de poriën met een groen fluorescerend eiwit afkomstig van kwallen, die dient als een fotomarkering in de plantencel. Volgende, deze deeltjes waren gecoat met DNA dat codeert voor een rood eiwit uit koraal. Het complex werd vervolgens in plantencellen geschoten met een genenkanon, een traditionele methode voor het afleveren van genen die vreemd materiaal langs de beschermende celwand van de plant krijgt.

De goudplating-innovatie voegde wat broodnodig ballistisch gewicht toe aan de deeltjes, zorgen voor hun vermogen om door de plantencelwand te schieten als ze eenmaal uit het genenkanon zijn vrijgegeven.

Cellen die tegelijkertijd rood en groen fluoresceren, bevestigen een succesvolle levering. Het team heeft bewezen succes te hebben in uien, tabak en maïscellen.

Het werk is een tastbare realisatie van de inspanningen die het team slechts twee jaar geleden in de ontwerpfase had geleverd toen collega Victor Lin van de Iowa State University en het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie onverwacht stierf. "Hij was zo'n briljante wetenschapper, " zegt Wang. "We voelden ons allemaal helemaal verloren toen we hem verloren."

Maar het team trok samen, profiteren van de uitstekende training die iedereen had gekregen door met Lin samen te werken om dit deeltje van de volgende generatie te realiseren.

"Zonder elkaar hadden we niets kunnen bereiken, ", zegt Wang. "Dit succes bewijst dat zijn nalatenschap voortduurt."