Rośliny spełniają wiele istotnych funkcji: są źródłem żywności i paliw, produkują tlen, którym oddychamy oraz wpływają na nasze środowisko kulturowe ze względu na walory estetyczne. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Stanach Zjednoczonych chcą sprawić, aby były one jeszcze bardziej użyteczne dla ludzi. Rozwijając dziedzinę nauki zwaną “roślinną nanobioniką” badacze wykorzystali syntetyczne nanomateriały do modyfikacji właściwości roślin. Dodatek m.in. nanorurek węglowych oraz nanocząsteczek tlenku ceru wpłynął na zwiększenie intensywności procesu fotosyntezy oraz umożliwił monitorowanie poziomu zanieczyszczenia środowiska.
Podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną organizmów roślin są komórki. Różnią się one od komórek innych jądrowców kilkoma istotnymi cechami, m.in. są otoczone ścianą komórkową powstającą na zewnątrz błony komórkowej, wewnątrz znajdują się plastydy, a w szczególności charakterystyczne chloroplasty, pełniące kluczową funkcję w procesie fotosyntezy. Organellum komórkowe zawiera zielone barwniki – chlorofile pochłaniające energię światła słonecznego potrzebną do fotosyntezy. Zachodzi w nich także przemiana dwutlenku węgla oraz wody z wykorzystaniem energii świetlnej w glukozę oraz tlen. Chloroplasty mogą nadal funkcjonować po ich wyizolowaniu z rośliny, ale po kilku godzinach zaczynają się rozkładać na skutek działania światła i tlenu (rozkład białek odpowiedzialnych za proces fotosyntezy). Uszkodzenia te zazwyczaj naprawiane są przez rośliny, ale wyekstrahowane chloroplasty mimo odpowiednich mechanizmów nie są w stanie samodzielnie się regenerować.
Inżynierowie z MIT stwierdzili, że rośliny są bardzo atrakcyjnymi platformami technologicznymi, ponieważ zachowują się stabilne i są w stanie przetrwać w trudnych warunkach otoczenia, zapewniając sobie jednocześnie energię i wodę potrzebną do przetrwania. W ramach próby zwiększenia efektywności procesu fotosyntezy naukowcy wyodrębnili chloroplasty z rzodkiewnika pospolitego, należącego do rodziny kapustowatych, który w botanice (m.in. genetyce roślin) jest gatunkiem modelowym, podobnie jak myszy i muszka owocowa w badaniach biologicznych człowieka. Pomysłodawcą był profesor Michael Strano, zwolennik potencjalnego zastosowania ciałek zieleni w ogniwach słonecznych.
Chloroplasty zostały umieszczone w roztworze buforowym, do którego dodano nanocząsteczki dwutlenku ceru (CeO2) powleczone kwasem poliakrylowym. CeO2, znany także pod nazwą NanoCeria jest silnym przeciwutleniaczem. Ze względu na swoje unikalne właściwości redoks, dwutlenek ceru znalazł szerokie zastosowanie w leczeniu zaburzeń medycznych spowodowanych reaktywnymi formami tlenu (z ang. reactive oxygen intermediates, ROI). Polimerowa powłoka pozwoliła naładowanym cząsteczkom przeniknąć przez hydrofobowe błony otaczające chloroplasty. W tym przypadku, nanocząsteczki odpowiadały za usuwanie ponadtlenku i nadtlenku wodoru, wydłużając tym samym żywotność ciałek zieleni. Naukowcy oznaczyli wcześniej NanoCeria za pomocą barwników fluorescencyjnych. Obrazowanie przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego oraz TEM wykazało, że NanoCeria spontanicznie wnikały do chloroplastów, a największe stężenia obserwowano w miejscach zachodzenia fotosyntezy. Podczas tego procesu, koncentracja wolnych rodników tlenowych w chloroplastach znacząco spadała.
Podobną technikę zastosowano w przypadku wprowadzania jednościennych nanorurek węglowych (z ang. single-wall carbon nanotubes, SWCNT). Półprzewodnikowe nanorurki pokryto ujemnie naładowanym nićmi DNA (kwasem dezoksyrybonukleinowym), po czym wprowadzono je do roztworu z chloroplastami. Dzięki sztucznym “antenom” z nanorurek, rośliny, które zazwyczaj korzystają tylko z około 10% spektrum promieni słonecznych mogłyby uchwycić także fale promieniowania ultrafioletowego i bliskiej podczerwieni. Pomiar szybkości przepływu elektronów przez membrany tylakoidowe wykazał zwiększoną o 49% aktywność fotosyntetyczną w porównaniu do izolowanych chloroplastów bez dodatku nanorurek węglowych. Wyekstrahowane ciałka zieleni, do których dostarczono zarówno NanoCeria jak i SWCNT również były aktywne kilka godzin dłużej niż normalnie.
Ostatnim testem było badanie wpływu nanomateriałów na żywe rośliny. Za pomocą infuzji naczyniowej dolnej części liścia, badacze wprowadzili do organizmu rzodkiewnika roztwór z nanorurkami węglowymi. Aparaty szparkowe odpowiedzialne za transport dwutlenku węgla i tlenu umożliwiły swobodny przepływ SWCNT. Dalszy ruch nanorurek obserwowano przy użyciu detektorów fluorescencyjnych w bliskiej podczerwieni. Zespół stwierdził, że nanocząstki zwiększyły aktywność fotosyntezy w żywych liściach o 30%. Naukowcy nadal badają wpływ przyspieszonego przepływu elektronów na produkcję cukru (glukozy). Rośliny były testowano także jako czujniki chemiczne. Stwierdzono, że w atmosferze tlenku azotu poziom fluorescencji wewnątrz liści drastycznie spadał.
Inżynierowie dążą teraz do zrozumienie sposobu wychwytywania energii słonecznej przez nanorurki węglowe i jej przenoszenia do chloroplastu. W tym celu muszą sprawdzić, czy addycja nanocząsteczek wpływa na zwiększenie poziomu produkcji paliwa chemicznego (glukozy). Oprócz tego, naukowcy mają nadzieję na wykorzystanie roślin z odpowiednio dostosowanymi sensorami do monitorowania poziomu pestycydów, zakażeń grzybiczych lub toksyn w środowisku. Pracują także nad włączeniem do roślin nanomateriałów elektronicznych, takich jak grafen.
Źródło:
[1] Juan Pablo Giraldo, Markita P. Landry, Sean M. Faltermeier, Thomas P. McNicholas, Nicole M. Iverson, Ardemis A. Boghossian, Nigel F. Reuel, Andrew J. Hilmer, Fatih Sen, Jacqueline A. Brew, Michael S. Strano. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials, 2014; DOI: 10.1038/nmat3890
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3890.html [21.03.2014]
[3] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/extref/nmat3890-s1.pdf [21.03.2014]
[4] http://web.mit.edu/newsoffice/2014/bionic-plants.html [21.03.2014]
[5] http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/39440/title/Next-Generation–Nanoparticles-Augment-Plant-Functions/ [21.03.2014]
[6] Plants are Coming Along by Tim Patterson, flickr.com, CC BY 2.0