Planten zijn een technisch wonder van de natuur. Gevoed door zonlicht, ze recyclen ons koolstofdioxide-afval in verse zuurstof zodat we kunnen ademen. Plus, ze maken de wereld mooier. Maar, met een beetje hulp van ons mensen, kunnen ze worden overgehaald om nog meer te doen?

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben geëxperimenteerd met het geven van nieuwe krachten aan planten door kleine koolstofnanobuisjes in hun chloroplasten te plaatsen - de kleine motor van de plantencel waar fotosynthese plaatsvindt.

Na veel vallen en opstaan, hun inspanningen zijn geslaagd. Sommige van de veranderde planten die in hun laboratorium zijn geproduceerd, hebben hun fotosynthetische activiteit met 30 procent verhoogd in vergelijking met reguliere planten. Anderen waren in staat om minuscule sporen van verontreinigende stoffen in de lucht te detecteren.

En dat is nog maar het begin.

"Het idee is om planten functies te geven die niet inheems zijn voor hen, " zei Michael Strano, een professor in de chemische technologie die toezicht hield op de experimenten.

Met andere woorden, hij wil planten superkrachten geven.

Het laboratorium van Strano is het eerste dat werkt op het raakvlak van plantenbiologie en nanotechnologie - een nieuw veld dat 'nanobionica' wordt genoemd.

Omdat niemand dit gebied ooit eerder had verkend, het team moest helemaal bij het begin beginnen. Dat betekende in de eerste plaats uitzoeken hoe je nanobuisjes in een plant kunt krijgen.

In vroege experimenten, ze gaven de planten water met een oplossing met nanodeeltjes, in de hoop dat de deeltjes door de wortels zouden worden opgenomen. Maar dat werkte niet. Het blijkt dat plantenwortels een structuur hebben die voorkomt dat nanobuisjes het vaatstelsel binnendringen.

Het team probeerde ook bladeren te snijden en ze in de oplossing van nanodeeltjes te trekken. Dat werkte ook niet.

onverschrokken, Strano's team wendde zich tot de huidmondjes, de kleine poriën aan de onderkant van bladeren die koolstofdioxide binnenlaten en zuurstof en water naar buiten laten. De onderzoekers ontdekten dat als ze de oplossing van nanodeeltjes in een injectiespuit stopten en deze bij hoge druk naar de huidmondjes schoten, de nanobuisjes zouden erin komen.

De volgende uitdaging was om de nanobuisjes op hun beoogde bestemming te krijgen - de kleine chloroplasten, 5 tot 10 micron lang, in de cellen drijven. Om dit te doen, het team vond een nieuw systeem uit dat nanodeeltjes in een sterk geladen polymeer wikkelt. Het polymeer wordt vooral aangetrokken door de lipidebel die elke chloroplast omringt. Als de nanobuisjes de bel raken, ze glijden er zo in.

"Het is echt indrukwekkend hoe goed het werkte, " zei Juan Pablo Giraldo, een plantenbioloog die in het laboratorium van Strano werkt. De nanobuisjes "gaan daar naar binnen en beginnen binnenin te assembleren."

Nadat het bezorgsysteem was opgezet, konden de onderzoekers spelen. Ze gebruikten chloroplasten in levende planten, evenals chloroplasten die werden gewonnen uit plantenbladeren, vaak spinazie gekocht bij de supermarkt.

Planten gebruiken slechts 10 procent van het beschikbare zonlicht. Allemaal groen licht, bijvoorbeeld, wordt weerspiegeld door de bladeren. Maar na het voeden van de nanobuisjes aan levende planten, hun fotosynthetische activiteit nam met 30 procent toe. De techniek werkte nog beter op geëxtraheerde chloroplasten (het soort dat ze uit spinazie kregen), waardoor hun fotosynthetische activiteit met 49 procent toenam.

De MIT-wetenschappers weten niet precies wat de nanobuisjes hebben gedaan om de fotosynthese zo veel efficiënter te maken. Een mogelijke verklaring die ze gaven, is dat nanobuisjes elektronen delen met chloroplasten, waardoor de chloroplast een breder scala aan licht kan opvangen (inclusief groen licht).

Onderzoekers in het laboratorium van Strano hadden eerder een koolstofnanobuisje ontwikkeld dat reageert op de aanwezigheid van stikstofmonoxide door de fluorescentie ervan drastisch te verminderen. Dus maakte het team een ​​oplossing van deze nanobuisjes en schoot het in de huidmondjes.

Zoals ze hadden gehoopt, de bladeren van de plant gloeiden minder op onder infrarood licht bij blootstelling aan stikstofmonoxide. Echter, het signaal was heel subtiel, dus struiken die de luchtkwaliteit bewaken zijn nog ver weg. Nog altijd, Strano en zijn collega's denken dat veranderde planten ons op een dag kunnen waarschuwen voor verontreinigende stoffen, pesticiden of schimmelziekten in de lucht om ons heen.

En er komen nog meer experimenten aan.

Het MIT-team werkt aan het creëren van planten met nog meer exotische functies. Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van magnetische nanodeeltjes, het is mogelijk dat ze planten in communicatieantennes kunnen veranderen.

"De belangrijkste visie die we hebben is om de unieke eigenschappen van planten te gebruiken - het vermogen om zichzelf opnieuw op te bouwen, zonne-energie op te vangen om zichzelf van stroom te voorzien of koolstofdioxide op te vangen - om apparaten te maken met vergelijkbare eigenschappen, " zei Giraldo, de hoofdauteur van een artikel over het werk dat deze maand in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmaterialen .

Alexander Ster, een chemicus aan de Universiteit van Pittsburgh die niet betrokken was bij het onderzoek, zei dat het onderzoek ons ​​begrip vergroot van hoe nanomaterialen en levende organismen op elkaar inwerken. Hij merkte op dat eerdere studies hebben aangetoond dat nanodeeltjes giftig kunnen zijn voor sommige ecosystemen, maar dat leek hier geen probleem.

In plaats daarvan, hij zei, de onderzoekers leken in staat om de prestaties van een deel van de machines van de fabriek te optimaliseren op een manier die de natuur nog niet heeft gedaan.

"Dit werk is een belangrijke stap in de richting van het rationele ontwerp van plantensystemen die in staat zijn om efficiënter zonne-energie te oogsten en bio-sensing - buiten de grenzen van natuurlijke evolutie, " hij zei.

©2014 Los Angeles Times
Gedistribueerd door MCT Information Services