Växter har många värdefulla funktioner:De ger mat och bränsle, släpp ut syre som vi andas, och lägga till skönhet till vår omgivning. Nu, ett team av MIT-forskare vill göra växter ännu mer användbara genom att utöka dem med nanomaterial som kan förbättra deras energiproduktion och ge dem helt nya funktioner, som övervakning av miljöföroreningar.

I en ny Naturmaterial papper, forskarna rapporterar att de ökar växternas förmåga att fånga ljusenergi med 30 procent genom att bädda in kolnanorör i kloroplasten, växtorganellen där fotosyntesen äger rum. Att använda en annan typ av kolnanorör, de modifierade också anläggningar för att detektera gasen kväveoxid.

Tillsammans, dessa representerar de första stegen i lanseringen av ett vetenskapligt område som forskarna har kallat "växtnanobionics".

"Växter är mycket attraktiva som teknikplattform, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik och ledare för MIT:s forskargrupp. "De reparerar sig själva, de är miljöstabila utanför, de överlever i tuffa miljöer, och de tillhandahåller sin egen kraftkälla och vattendistribution."

Strano och tidningens huvudförfattare, postdoc och växtbiolog Juan Pablo Giraldo, föreställ dig att förvandla anläggningar till självdrivna, fotoniska enheter som detektorer för sprängämnen eller kemiska vapen. Forskarna arbetar också med att integrera elektroniska enheter i växter. "Potentialen är verkligen oändlig, " säger Strano.

Överladdad fotosyntes

Idén till nanobioniska växter växte fram ur ett projekt i Stranos labb för att bygga självreparerande solceller som bygger på växtceller. Som nästa steg, forskarna ville försöka förbättra den fotosyntetiska funktionen hos kloroplaster isolerade från växter, för eventuell användning i solceller.

Kloroplaster är värd för alla maskiner som behövs för fotosyntes, som sker i två steg. Under den första etappen, pigment som klorofyll absorberar ljus, som exciterar elektroner som strömmar genom kloroplastens tylakoidmembran. Anläggningen fångar upp denna elektriska energi och använder den för att driva det andra steget av fotosyntesen - att bygga sockerarter.

Kloroplaster kan fortfarande utföra dessa reaktioner när de tas bort från växter, men efter några timmar, de börjar brytas ner eftersom ljus och syre skadar de fotosyntetiska proteinerna. Vanligtvis kan växter helt reparera den här typen av skador, men extraherade kloroplaster kan inte göra det på egen hand.

För att förlänga kloroplasternas produktivitet, forskarna bäddade in dem med nanopartiklar av ceriumoxid, även känd som nanoceria. Dessa partiklar är mycket starka antioxidanter som avlägsnar syreradikaler och andra mycket reaktiva molekyler som produceras av ljus och syre, skydda kloroplasterna från skador.

Forskarna levererade nanoceria till kloroplasterna med hjälp av en ny teknik som de utvecklade kallad penetration av lipidbyteshöljet, eller LEEP. Slå in partiklarna i polyakrylsyra, en högt laddad molekyl, låter partiklarna penetrera fettet, hydrofoba membran som omger kloroplaster. I dessa kloroplaster, nivåerna av skadliga molekyler sjönk dramatiskt.

Med samma leveransteknik, forskarna bäddade också in halvledande kolnanorör, belagd med negativt laddat DNA, in i kloroplasterna. Växter använder vanligtvis bara cirka 10 procent av solljuset som är tillgängligt för dem, men kolnanorör kan fungera som konstgjorda antenner som gör det möjligt för kloroplaster att fånga våglängder av ljus som inte ligger inom deras normala intervall, som ultraviolett, grön, och nära-infrarött.

Med kolnanorör som verkar fungera som en "protetisk fotoabsorberare, " fotosyntetisk aktivitet - mätt med hastigheten för elektronflödet genom tylakoidmembranen - var 49 procent högre än den i isolerade kloroplaster utan inbäddade nanorör. När nanoceria och kolnanorör levererades tillsammans, kloroplasterna förblev aktiva i några extra timmar.

Forskarna vände sig sedan till levande växter och använde en teknik som kallas vaskulär infusion för att leverera nanopartiklar till Arabidopsis thaliana , en liten blommande växt. Med denna metod, forskarna applicerade en lösning av nanopartiklar på undersidan av bladet, där det penetrerade små porer som kallas stomata, som normalt låter koldioxid strömma in och syre strömma ut. I dessa växter, nanorören flyttade in i kloroplasten och ökade det fotosyntetiska elektronflödet med cirka 30 procent.

Ännu återstår att upptäcka hur det extra elektronflödet påverkar växternas sockerproduktion. "Detta är en fråga som vi fortfarande försöker svara på i labbet:Vad är effekten av nanopartiklar på produktionen av kemiska bränslen som glukos?" säger Giraldo.

Lean green maskiner

Forskarna visade också att de kunde vända sig Arabidopsis thaliana planterar in kemiska sensorer genom att leverera kolnanorör som detekterar gasen kväveoxid, en miljöförorening som produceras vid förbränning.

Stranos labb har tidigare utvecklat kolnanorörssensorer för många olika kemikalier, inklusive väteperoxid, det explosiva TNT, och nervgasen sarin. När målmolekylen binder till en polymer lindad runt nanoröret, det förändrar rörets fluorescens.

"Vi skulle en dag kunna använda dessa kolnanorör för att göra sensorer som detekterar i realtid, på enpartikelnivå, fria radikaler eller signalmolekyler som är i mycket låg koncentration och svåra att upptäcka, säger Giraldo.

Genom att anpassa sensorerna till olika mål, forskarna hoppas kunna utveckla växter som kan användas för att övervaka miljöföroreningar, bekämpningsmedel, svampinfektioner, eller exponering för bakteriella toxiner. De arbetar också med att införliva elektroniska nanomaterial, som grafen, till växter.

"Just nu, nästan ingen arbetar inom detta framväxande område, " säger Giraldo. "Det är en möjlighet för människor från växtbiologi och den kemitekniska nanoteknikgemenskapen att arbeta tillsammans i ett område som har en stor potential."