Planten hebben veel waardevolle functies:ze leveren voedsel en brandstof, laat de zuurstof die we inademen vrij, en schoonheid toevoegen aan onze omgeving. Nutsvoorzieningen, een team van MIT-onderzoekers wil planten nog nuttiger maken door ze uit te breiden met nanomaterialen die hun energieproductie kunnen verbeteren en ze volledig nieuwe functies kunnen geven, zoals het monitoren van milieuverontreinigende stoffen.

in een nieuwe Natuurmaterialen papier, de onderzoekers melden dat het vermogen van planten om lichtenergie op te vangen met 30 procent is verbeterd door koolstofnanobuisjes in de chloroplast in te bedden, het plantenorganel waar fotosynthese plaatsvindt. Met behulp van een ander type koolstofnanobuis, ze hebben ook planten aangepast om het gas stikstofmonoxide te detecteren.

Samen, deze vertegenwoordigen de eerste stappen in het lanceren van een wetenschappelijk veld dat de onderzoekers 'plant nanobionics' hebben genoemd.

"Planten zijn erg aantrekkelijk als technologieplatform, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar Chemical Engineering en leider van het MIT-onderzoeksteam. "Ze repareren zichzelf, ze zijn buiten milieustabiel, ze overleven in ruwe omgevingen, en ze zorgen voor hun eigen stroombron en waterdistributie."

Strano en de hoofdauteur van de krant, postdoc en plantenbioloog Juan Pablo Giraldo, stel je voor dat je planten verandert in zelfaangedreven, fotonische apparaten zoals detectoren voor explosieven of chemische wapens. De onderzoekers werken ook aan het inbouwen van elektronische apparaten in planten. "Het potentieel is echt eindeloos, ' zegt Strano.

Supercharged fotosynthese

Het idee voor nanobionische planten kwam voort uit een project in het laboratorium van Strano om zelfherstellende zonnecellen te bouwen naar het model van plantencellen. Als volgende stap, de onderzoekers wilden proberen de fotosynthetische functie van chloroplasten geïsoleerd uit planten te verbeteren, voor eventueel gebruik in zonnecellen.

Chloroplasten herbergen alle machines die nodig zijn voor fotosynthese, die in twee fasen plaatsvindt. Tijdens de eerste fase, pigmenten zoals chlorofyl absorberen licht, die elektronen opwekt die door de thylakoïde membranen van de chloroplast stromen. De plant vangt deze elektrische energie op en gebruikt deze om de tweede fase van fotosynthese aan te drijven:suikers opbouwen.

Chloroplasten kunnen deze reacties nog steeds uitvoeren wanneer ze uit planten worden verwijderd, maar na een paar uur ze beginnen af ​​te breken omdat licht en zuurstof de fotosynthetische eiwitten beschadigen. Meestal kunnen planten dit soort schade volledig herstellen, maar geëxtraheerde chloroplasten kunnen het niet alleen.

Om de productiviteit van de chloroplasten te verlengen, de onderzoekers hebben ze ingebed met nanodeeltjes van ceriumoxide, ook wel nanoceria genoemd. Deze deeltjes zijn zeer sterke antioxidanten die zuurstofradicalen en andere zeer reactieve moleculen die door licht en zuurstof worden geproduceerd, wegvangen, het beschermen van de chloroplasten tegen beschadiging.

De onderzoekers brachten nanoceria in de chloroplasten met behulp van een nieuwe techniek die ze ontwikkelden, de penetratie van de lipide-uitwisselingsenvelop. of LEEP. De deeltjes in polyacrylzuur wikkelen, een sterk geladen molecuul, laat de deeltjes doordringen in het vet, hydrofobe membranen die chloroplasten omringen. In deze chloroplasten, niveaus van schadelijke moleculen drastisch gedaald.

Met dezelfde bezorgtechniek, de onderzoekers hebben ook halfgeleidende koolstofnanobuisjes ingebed, gecoat in negatief geladen DNA, in de chloroplasten. Planten maken doorgaans gebruik van slechts ongeveer 10 procent van het beschikbare zonlicht, maar koolstofnanobuizen kunnen fungeren als kunstmatige antennes waarmee chloroplasten golflengten van licht kunnen opvangen die niet in hun normale bereik liggen, zoals ultraviolet, groente, en nabij-infrarood.

Met koolstofnanobuisjes die lijken te werken als een "prothetische fotoabsorber, " fotosynthetische activiteit - gemeten aan de snelheid van elektronenstroom door de thylakoïde membranen - was 49 procent groter dan die in geïsoleerde chloroplasten zonder ingebedde nanobuisjes. Toen nanoceria en koolstofnanobuisjes samen werden afgeleverd, de chloroplasten bleven nog enkele uren actief.

De onderzoekers wendden zich vervolgens tot levende planten en gebruikten een techniek die vasculaire infusie wordt genoemd om nanodeeltjes in te leveren Arabidopsis thaliana , een klein bloeiend plantje. Met behulp van deze methode, de onderzoekers brachten een oplossing van nanodeeltjes aan op de onderkant van het blad, waar het kleine poriën binnendringt die bekend staan ​​​​als huidmondjes, die normaal gesproken koolstofdioxide toelaten om naar binnen te stromen en zuurstof naar buiten te laten stromen. Bij deze planten de nanobuisjes bewogen in de chloroplast en verhoogden de fotosynthetische elektronenstroom met ongeveer 30 procent.

Nog te ontdekken is hoe die extra elektronenstroom de suikerproductie van de plant beïnvloedt. "Dit is een vraag die we in het lab nog steeds proberen te beantwoorden:wat is de impact van nanodeeltjes op de productie van chemische brandstoffen zoals glucose?" zegt Giraldo.

Lean groene machines

De onderzoekers toonden ook aan dat ze konden draaien Arabidopsis thaliana planten in chemische sensoren door koolstofnanobuisjes te leveren die het gas stikstofmonoxide detecteren, een milieuverontreinigende stof die wordt geproduceerd door verbranding.

Het laboratorium van Strano heeft eerder koolstofnanobuissensoren ontwikkeld voor veel verschillende chemicaliën, inclusief waterstofperoxide, het explosieve TNT, en het zenuwgas sarin. Wanneer het doelmolecuul bindt aan een polymeer dat om de nanobuis is gewikkeld, het verandert de fluorescentie van de buis.

"Op een dag zouden we deze koolstofnanobuisjes kunnen gebruiken om sensoren te maken die in realtime detecteren, op het niveau van één deeltje, vrije radicalen of signaalmoleculen met een zeer lage concentratie en moeilijk te detecteren, ' zegt Giraldo.

Door de sensoren aan te passen aan verschillende doelen, de onderzoekers hopen planten te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt om milieuvervuiling te monitoren, pesticiden, schimmelinfecties, of blootstelling aan bacteriële toxines. Ze werken ook aan het inbouwen van elektronische nanomaterialen, zoals grafeen, in planten.

"Direct, bijna niemand werkt in dit opkomende gebied, ", zegt Giraldo. "Het is een kans voor mensen uit de plantenbiologie en de chemische technologie-nanotechnologiegemeenschap om samen te werken in een gebied met een groot potentieel."