Stel je voor dat in plaats van een lamp aan te doen als het donker wordt, je zou kunnen lezen bij het licht van een gloeiende plant op je bureau.

MIT-ingenieurs hebben een cruciale eerste stap gezet om die visie te realiseren. Door gespecialiseerde nanodeeltjes in te bedden in de bladeren van een waterkersplant, ze zorgden ervoor dat de planten bijna vier uur lang zwak licht afgaven. Ze geloven dat, met verdere optimalisatie, dergelijke planten zullen op een dag helder genoeg zijn om een ​​werkruimte te verlichten.

"De visie is om een ​​plant te maken die zal functioneren als bureaulamp - een lamp die je niet hoeft aan te sluiten. Het licht wordt uiteindelijk aangedreven door het energiemetabolisme van de plant zelf, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT en de senior auteur van de studie.

Deze technologie kan ook worden gebruikt om binnenverlichting met lage intensiteit te leveren, of om bomen te transformeren in zelfaangedreven straatlantaarns, zeggen de onderzoekers.

MIT-postdoc Seon-Yeong Kwak is de hoofdauteur van de studie, die in het journaal verschijnt Nano-letters .

Nanobionische planten

Plant nanobionics, een nieuw onderzoeksgebied ontwikkeld door Strano's lab, heeft tot doel planten nieuwe eigenschappen te geven door ze in te bedden met verschillende soorten nanodeeltjes. Het doel van de groep is om fabrieken te engineeren om veel van de functies over te nemen die nu door elektrische apparaten worden uitgevoerd. De onderzoekers hebben eerder planten ontworpen die explosieven kunnen detecteren en die informatie kunnen doorgeven aan een smartphone. evenals planten die droogtecondities kunnen volgen.

Verlichting, die goed is voor ongeveer 20 procent van het wereldwijde energieverbruik, leek een logisch volgend doelwit. "Planten kunnen zichzelf herstellen, ze hebben hun eigen energie, en ze zijn al aangepast aan de buitenomgeving, " zegt Strano. "We denken dat dit een idee is waarvoor de tijd rijp is. Het is een perfect probleem voor nanobionics van planten."

Om hun gloeiende planten te creëren, het MIT-team wendde zich tot luciferase, het enzym dat vuurvliegjes hun glans geeft. Luciferase werkt op een molecuul genaamd luciferine, waardoor het licht uitstraalt. Een ander molecuul, co-enzym A genaamd, helpt het proces door een bijproduct van de reactie te verwijderen dat de luciferase-activiteit kan remmen.

Het MIT-team verpakte elk van deze drie componenten in een ander type nanodeeltjesdrager. De nanodeeltjes, die allemaal zijn gemaakt van materialen die de Amerikaanse Food and Drug Administration classificeert als "algemeen beschouwd als veilig, " helpen elke component om het juiste deel van de plant te bereiken. Ze voorkomen ook dat de componenten concentraties bereiken die giftig kunnen zijn voor de planten.

De onderzoekers gebruikten silica-nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 10 nanometer om luciferase te vervoeren, en ze gebruikten iets grotere deeltjes van de polymeren PLGA en chitosan om luciferine en co-enzym A te vervoeren, respectievelijk. Om de deeltjes in plantenbladeren te krijgen, de onderzoekers hebben de deeltjes eerst in een oplossing gesuspendeerd. Planten werden ondergedompeld in de oplossing en vervolgens blootgesteld aan hoge druk, waardoor de deeltjes de bladeren kunnen binnendringen via kleine poriën die huidmondjes worden genoemd.

Deeltjes die luciferine en co-enzym A afgeven, werden ontworpen om zich op te hopen in de extracellulaire ruimte van het mesofyl, een binnenste laag van het blad, terwijl de kleinere deeltjes die luciferase dragen de cellen binnengaan die het mesofyl vormen. De PLGA-deeltjes geven geleidelijk luciferine af, die vervolgens de plantencellen binnengaat, waar luciferase de chemische reactie uitvoert die luciferine doet gloeien.

De vroege inspanningen van de onderzoekers aan het begin van het project leverden planten op die ongeveer 45 minuten konden gloeien, die ze sindsdien hebben verbeterd tot 3,5 uur. Het licht dat wordt gegenereerd door een waterkerszaailing van 10 centimeter is momenteel ongeveer een duizendste van de hoeveelheid die nodig is om te lezen, maar de onderzoekers denken dat ze het uitgestraalde licht kunnen versterken, evenals de duur van het licht, door de concentratie en afgiftesnelheden van de componenten verder te optimaliseren.

Plantentransformatie

Eerdere pogingen om lichtemitterende planten te creëren, waren afhankelijk van genetisch gemodificeerde planten om het gen voor luciferase tot expressie te brengen, maar dit is een moeizaam proces dat extreem zwak licht oplevert. Die studies werden uitgevoerd op tabaksplanten en Arabidopsis thaliana, die vaak worden gebruikt voor plantgenetisch onderzoek. Echter, de door Strano's lab ontwikkelde methode kan op elk type plant worden gebruikt. Tot dusver, ze hebben het gedemonstreerd met rucola, boerenkool, en spinazie, naast waterkers.

Voor toekomstige versies van deze technologie, de onderzoekers hopen een manier te ontwikkelen om de nanodeeltjes op plantenbladeren te schilderen of te spuiten, waarmee het mogelijk zou kunnen worden om bomen en andere grote planten om te vormen tot lichtbronnen.

"Ons doel is om één behandeling uit te voeren wanneer de plant een zaailing of een volwassen plant is, en laat het meegaan voor de levensduur van de plant, " zegt Strano. "Ons werk opent heel serieus de deur naar straatlantaarns die niets anders zijn dan behandelde bomen, en tot indirecte verlichting rondom woningen."

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat ze het licht kunnen uitschakelen door nanodeeltjes toe te voegen die een luciferaseremmer bevatten. Dit zou hen in staat kunnen stellen om uiteindelijk planten te creëren die hun lichtemissie uitschakelen als reactie op omgevingscondities zoals zonlicht, zeggen de onderzoekers.