Nanotehnologia ar putea transforma arbuştii în generatoare masive de energie sau în senzori pentru explozibili. Plantele sunt foarte valoroase: sunt folosite în alimentaţie, sunt transformate în carburanţi, emit oxigenul în aer şi, datorită frumuseţii lor, au rol decorativ. În prezent, o echipă de cercetători de la MIT şi-a propus să intensifice utilitatea plantelor prin adăugarea unor nanomateriale care ar putea să le amplifice producţia de energie şi să le ofere noi roluri, cum ar fi monitorizarea poluării mediului înconjurător.

 

 



Într-un articol recent din Nature Materials, cercetătorii au scris despre dezvoltarea abilităţii plantelor de a captura energia cu 30% mai mult, prin implantarea nanotuburilor de carbon în cloroplaste, organitele plantei unde are loc fotosinteza. De asemenea, au reuşit să modifice plantele astfel încât să detecteze oxidul nitric, prin implantarea unui alt tip de nanotuburi de carbon. Aceştia sunt primii paşi în lansarea unui domeniu ştiinţific pe care cercetătorii l-au denumit ,,nanobionica plantelor''.

,,Plantele sunt potrivite pentru rolul de platformă tehnologică. Se vindecă singure, sunt durabile, rezistă mediilor aspre şi au propriile surse de energie şi de apă", ne spune Michael Strano, profesor de inginerie chimică şi liderul echipei de cercetare de la MIT. Acesta, împreună cu Juan Pablo Giraldo, biolog şi autor principal al articolului, preconizează transformarea plantelor în dispozitive fotonice,  cu energie proprie, precum detectoarele de explozibili sau armele chimice. Cercetătorii lucrează şi la integrarea unor dispozitive electronice în plante. ,,Potenţialul este cu adevărat nesfârşit", adaugă Strano.


Amplificarea fotosintezei

Ideea plantelor nanobionice s-a dezvoltat în cadrul unui proiect din laboratorul lui Strano, cu privire la crearea unor celule solare, care se vindecă singure, din celulele plantelor. Următorul pas a fost reprezentat de dorinţa cercetătorilor de a încerca amplificarea fotosintezei în cloroplastele izolate din plante, pentru a putea fi folosită în celulele solare.

Cloroplastele găzduiesc tot ceea ce trebuie pentru fotosinteza formată din două etape. În prima etapă, pigmenţii precum clorofila absorb lumina, ceea ce generează stimularea electronilor care circulă prin tilacoidele cloroplastelor. Planta captează această energie electrică şi o foloseşte pentru a alimenta cea de a doua etapă a fotosintezei, crearea glucozei.

Cloroplastele au aceste reacţii şi după ce au fost îndepărtate din plante, însă, după câteva ore, se descompun deoarece lumina şi oxigenul distrug proteinele lor fotosintetice. În mod normal, spre deosebire de cloroplastele extrase, plantele pot repara acest proces dăunător. Pentru a prelungi productivitatea cloroplastelor, cercetătorii le-au ataşat nanoparticule de oxid ceric. Aceste particule sunt, de fapt, antioxidanţi puternici care elimină radicalii de oxigen şi alte molecule cu reactivitate mare produse de lumină şi oxigen, protejând cloroplastele de descompunere.

Cercetătorii au introdus nanoparticulele în cloroplaste folosind o tehnică nouă, denumită LEEP - lipid exchange envelope penetration. Înfăşurând particulele în acid poliacrilic, o moleculă puternic încărcată a permis particulelor să penetreze membranele hidrofobe lipide care înconjoară cloroplastele. În aceste cloroplaste, nivelul de descompunere a moleculelor a scăzut enorm.

Folosind aceeaşi tehnică, cercetătorii au introdus în cloroplaste nanotuburi semiconductoare de carbon, înfăşurate în ADN încărcat negativ. În general, plantele utilizează doar o zecime din lumina solară disponibilă, însă nanotuburile de carbon au funcţionat ca antene artificiale care au permis cloroplastelor să capteze unde de lumină neobişnuite, precum verde, ultraviolet şi infraroşu apropiat.

În timp ce nanotuburile de carbon funcţionau ca fotoabsorbante prostetice, fotosinteza, măsurată prin nivelul de activitate a electronilor din tilacoide, era cu 49% mai intensificată decât în cloroplastele izolate fără nanotuburi ataşaţi. Atunci când oxidul de ceriu s-a unit cu nanotuburile de carbon, cloroplastele au rămas active pentru următoarele ore.

Cercetătorii au trecut la plantele vii şi au folosit o tehnică numită infuzie vasculară pentru a ataşa nanoparticule în Arabidopsis thaliana, o plantă de talie mică, cu flori. Folosind metoda de mai sus, cercetătorii au aplicat o soluţie formată din nanoparticule  pe partea inferioară a frunzei, penetrând stomatele care, de obicei, permit dioxidului de carbon să intre şi oxigenului să iasă. În aceste plante, nanotuburile au pătruns în cloroplaste şi au mărit circuitul electronilor fotosintetici cu aproximativ 30%. Urmează să fie descoperit şi modul în care aceste procente influenţează producţia de zahăr a plantelor. ,,Încercăm, în laboratorul nostru, să aflăm răspunsul şi la următoarea întrebare: Care este impactul nanoparticulelor în producerea combustibilului chimic denumit glucoză?", completează Giraldo.

 


Giraldo examinează o plantă nanobionică

 

Maşinăriile verzi

Oamenii de ştiinţă au reuşit să transforme planta Arabidopsis thaliana într-un senzor chimic, prin implantarea nanotuburilor care detectează oxidul nitric, o substanţă poluantă, produsă prin arderea combustibililor. Laboratorul lui Strano a creat senzori pe bază de nanotuburi de carbon pentru mai multe chimicale, inclusiv peroxidul de hidrogen, trinitrotoluenul şi gazul sarin. Când moleculele se ataşează polimerilor înfăşuraţi în nanotuburi, fluorescenţa acestor nanotuburi este alterată.

,,Într-o zi, vom putea folosi nanotuburile de carbon pentru a crea senzori care să detecteze radicalii liberi în timp real, la nivel de particulă, sau să semnaleze prezenţa moleculelor cu un nivel de concentrare foarte scăzut şi prea dificile de detectat", spune Giraldo. Aceasta este o demonstraţie extraordinară a modului în care nanotehnologia poate fi combinată cu biologia sintetică pentru a modifica şi a amplifica funcţiile organismelor vii; a plantelor, în cazul nostru", adăugă James Collins, un profesor de inginerie biomedicală de la Universitatea din Boston, neimplicat în cercetare. Autorii arată modul în care nanoparticulele care se aranjează singure pot fi întrebuințate pentru a amplifica capacitatea fotosintetică a plantelor, fiind utilizate ca biosenzori şi reducători de stres".

Prin adaptarea senzorilor în funcţie de obiective, cercetătorii speră să dezvolte plantele care ar putea fi folosite pentru a monitoriza poluarea mediului, pesticidele, infecţiile fungale sau expunerea la toxine bacteriane. Se încearcă şi incorporarea nanomaterialelor electronice în plante, cum ar fi grafenul. ,,În prezent, aproape nimeni nu lucrează în acest domeniu nou apărut. Este o oportunitate pentru comunitatea botaniştilor şi a inginerilor din nanotehnologia chimică de a lucra împreună într-un domeniu cu un potenţial uriaş", declară Giraldo.


Traducere de Marian Curuescu dupa bionic-plants