Spinazie is niet langer alleen een superfood:door bladeren in te bedden met koolstofnanobuisjes, MIT-ingenieurs hebben spinazieplanten omgevormd tot sensoren die explosieven kunnen detecteren en die informatie draadloos kunnen doorgeven aan een handheld-apparaat dat lijkt op een smartphone.

Dit is een van de eerste demonstraties van het construeren van elektronische systemen in planten, een benadering die de onderzoekers 'plant nanobionics' noemen.

"Het doel van planten nanobionics is om nanodeeltjes in de plant te introduceren om het niet-inheemse functies te geven, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar Chemical Engineering aan het MIT en de leider van het onderzoeksteam.

In dit geval, de planten zijn ontworpen om chemische verbindingen te detecteren die bekend staan ​​​​als nitroaromaten, die vaak worden gebruikt in landmijnen en andere explosieven. Wanneer een van deze chemicaliën aanwezig is in het grondwater dat van nature door de plant wordt bemonsterd, koolstofnanobuisjes ingebed in de bladeren van de plant zenden een fluorescerend signaal uit dat kan worden afgelezen met een infraroodcamera. De camera kan worden aangesloten op een kleine computer, vergelijkbaar met een smartphone, die vervolgens een e-mail naar de gebruiker stuurt.

"Dit is een nieuwe demonstratie van hoe we de communicatiebarrière tussen plant en mens hebben overwonnen, " zegt Strano, die gelooft dat de kracht van planten ook kan worden gebruikt om te waarschuwen voor verontreinigende stoffen en omgevingsfactoren zoals droogte.

Strano is de senior auteur van een paper waarin de nanobionische planten worden beschreven in het nummer van 31 oktober van Natuurmaterialen . De hoofdauteur van het artikel is Min Hao Wong, een MIT-afgestudeerde student die een bedrijf is gestart genaamd Plantea om deze technologie verder te ontwikkelen.

Milieu Controle

Twee jaar geleden, in de eerste demonstratie van nanobionics van planten, Strano en voormalig MIT-postdoc Juan Pablo Giraldo gebruikten nanodeeltjes om het fotosynthesevermogen van planten te verbeteren en ze om te zetten in sensoren voor stikstofmonoxide, een verontreinigende stof die wordt geproduceerd door verbranding.

Planten zijn bij uitstek geschikt om de omgeving te monitoren omdat ze al veel informatie uit hun omgeving opnemen, zegt Strano.

"Planten zijn zeer goede analytische chemici, " zegt hij. "Ze hebben een uitgebreid wortelnetwerk in de grond, bemonsteren voortdurend grondwater, en een manier hebben om het transport van dat water naar de bladeren zelf te regelen."

Het laboratorium van Strano heeft eerder koolstofnanobuisjes ontwikkeld die als sensoren kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan moleculen te detecteren, 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.

In de nieuwe studie de onderzoekers sloten sensoren voor nitroaromatische verbindingen in de bladeren van spinazieplanten. Met behulp van een techniek genaamd vasculaire infusie, waarbij een oplossing van nanodeeltjes aan de onderkant van het blad wordt aangebracht, ze plaatsten de sensoren in een bladlaag die bekend staat als de mesofyl, waar de meeste fotosynthese plaatsvindt.

Ze hebben ook koolstofnanobuisjes ingebed die een constant fluorescerend signaal uitzenden dat als referentie dient. Hierdoor kunnen de onderzoekers de twee fluorescerende signalen vergelijken, waardoor het gemakkelijker is om te bepalen of de explosievensensor iets heeft gedetecteerd. Als er explosieve moleculen in het grondwater zijn, het duurt ongeveer 10 minuten voordat de plant ze in de bladeren trekt, waar ze de detector tegenkomen.

Om het signaal te lezen, de onderzoekers schijnen een laser op het blad, waardoor de nanobuisjes in het blad bijna-infrarood fluorescerend licht uitstralen. Dit kan worden gedetecteerd met een kleine infraroodcamera die is aangesloten op een Raspberry Pi, een computer ter grootte van een creditcard van $ 35, vergelijkbaar met de computer in een smartphone. Het signaal kon ook worden gedetecteerd met een smartphone door het infraroodfilter te verwijderen dat de meeste cameratelefoons hebben, zeggen de onderzoekers.

"Deze opstelling zou kunnen worden vervangen door een mobiele telefoon en de juiste camera, ' zegt Strano. 'Het is alleen het infraroodfilter dat je ervan weerhoudt je mobiele telefoon te gebruiken.'

Met behulp van deze opstelling, de onderzoekers kunnen een signaal opvangen vanaf ongeveer 1 meter afstand van de plant, en ze werken nu aan het vergroten van die afstand.

"Een schat aan informatie"

In de plant nanobionics-studie van 2014, Strano's lab werkte met een gemeenschappelijke laboratoriumplant die bekend staat als Arabidopsis thaliana. Echter, de onderzoekers wilden voor het laatste onderzoek gewone spinazieplanten gebruiken, om de veelzijdigheid van deze techniek te demonstreren. "Je kunt deze technieken toepassen bij elke levende plant, ' zegt Strano.

Tot dusver, de onderzoekers hebben ook spinazieplanten ontwikkeld die dopamine kunnen detecteren, die de wortelgroei van planten beïnvloedt, en ze werken nu aan extra sensoren, waaronder enkele die de chemicaliën volgen die planten gebruiken om informatie in hun eigen weefsels over te brengen.

"Planten zijn zeer milieuvriendelijk, " zegt Strano. "Ze weten dat er een droogte zal zijn lang voordat wij dat doen. Ze kunnen kleine veranderingen in de eigenschappen van bodem en waterpotentieel detecteren. Als we die chemische signaalroutes aanboren, er is een schat aan informatie om toegang te krijgen."

Deze sensoren kunnen botanici ook helpen meer te weten te komen over de innerlijke werking van planten, de gezondheid van planten bewaken, en maximaliseer de opbrengst van zeldzame verbindingen die worden gesynthetiseerd door planten zoals de maagdenpalm van Madagascar, die geneesmiddelen produceert die worden gebruikt om kanker te behandelen.

"Deze sensoren geven realtime informatie van de plant. Het is bijna alsof de plant met ons praat over de omgeving waarin ze zich bevinden, " zegt Wong. "In het geval van precisielandbouw, het hebben van dergelijke informatie kan direct van invloed zijn op het rendement en de marges."