Växter är ett ingenjörsunderverk av naturen. Drivs av solljus, de återvinner vårt koldioxidavfall till färskt syre för att vi ska kunna andas. Plus, de gör världen vackrare. Men, med lite hjälp från oss människor, kan de lockas att göra ännu mer?
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology har experimenterat med att ge växter nya krafter genom att placera små kolnanorör i sina kloroplaster - den lilla motorn i växtcellen där fotosyntesen sker.
Efter mycket försök och fel, deras ansträngningar har lyckats. Några av de förändrade växterna som produceras i deras labb har ökat sin fotosyntetiska aktivitet med 30 procent jämfört med vanliga växter. Andra kunde upptäcka små spår av föroreningar i luften.
Och det är bara början.
"Tanken är att ge växter funktioner som inte är infödda för dem, "sa Michael Strano, en professor i kemiteknik som övervakade experimenten.
Med andra ord, han vill ge växter superkrafter.
Stranos laboratorium är det första som arbetade i samband med växtbiologi och nanoteknik - ett nytt område som kallas "nanobionik".
Eftersom ingen någonsin hade utforskat detta område tidigare, laget fick börja i början. Det innebar att ta reda på hur man först får nanorör till en växt.
I tidiga experiment, de vattnade plantorna med en lösning som innehåller nanopartiklar, hoppas att partiklarna skulle tas upp genom rötterna. Men det fungerade inte. Det visar sig att växtrötter har en struktur som blockerar nanorör från att komma in i kärlsystemet.
Teamet försökte också klippa löv och släpa ner dem i nanopartikellösningen. Det fungerade inte heller.
Oförskräckt, Stranos team vände sig till stomata, de små porerna på undersidan av löv som släpper ut koldioxid och syre och vatten ut. Forskarna fann att om de lägger nanopartikellösningen i en spruta och vid högt tryck skjuter den mot stomatan, nanorören skulle komma in.
Nästa utmaning var att få nanorören till sin avsedda destination - de små kloroplasterna, 5 till 10 mikron i längd, flyter inuti cellerna. Att göra detta, laget uppfann ett nytt system som omsluter nanopartiklar i en högladdad polymer. Polymeren lockas särskilt till lipidbubblan som omger varje kloroplast. När nanorören träffade bubblan, de glider rakt in.
"Det är verkligen imponerande hur bra det fungerade, "sa Juan Pablo Giraldo, en växtbiolog som arbetar i Stranos laboratorium. Nanorören "går in där och börjar montera inuti."
Efter att leveranssystemet upprättades, forskarna kunde spela. De använde kloroplaster i levande växter och kloroplaster extraherade från växtblad, ofta spenat köpt i snabbköpet.
Växter använder bara 10 procent av solljuset som är tillgängligt för dem. Allt grönt ljus, till exempel, reflekteras av bladen. Men efter att ha matat nanorören till levande växter, deras fotosyntetiska aktivitet ökade med 30 procent. Tekniken fungerade ännu bättre på extraherade kloroplaster (den typ de fick från spenat), vilket får deras fotosyntetiska aktivitet att öka med 49 procent.
MIT -forskarna vet inte exakt vad nanorören gjorde för att göra fotosyntesen så mycket mer effektiv. En möjlig förklaring de erbjöd är att nanorör delar elektroner med kloroplaster, vilket gör att kloroplasten kan fånga ett bredare ljusintervall (inklusive grönt ljus).
Forskare i Stranos laboratorium hade tidigare utvecklat ett kolnanorör som reagerar på närvaron av kväveoxid genom att drastiskt minska dess fluorescens. Så laget förberedde en lösning av dessa nanorör och sköt in det i munnen.
Som de hade hoppats, växtbladen lyser mindre under ett infrarött ljus när de utsätts för kväveoxid. Dock, signalen var mycket subtil, så buskar som övervakar luftkvaliteten är fortfarande långt borta. Fortfarande, Strano och hans kollegor tror att förändrade växter en dag kan varna oss för föroreningar, bekämpningsmedel eller svampsjukdomar i luften omkring oss.
Och fler experiment är på gång.
MIT -teamet arbetar med att skapa växter med ännu mer exotiska funktioner. Till exempel, genom att använda magnetiska nanopartiklar, det är möjligt att de kan göra växter till kommunikationsantenner.
"Den främsta visionen vi har är att använda de unika egenskaper som växter har - förmågan att bygga om sig själva, fånga solenergi för att driva sig själva eller fånga koldioxid - för att göra enheter som har liknande egenskaper, "sa Giraldo, huvudförfattaren till ett papper om arbetet som publicerades denna månad i tidningen Naturmaterial .
Alexander Star, en kemist vid University of Pittsburgh som inte var inblandad i studien, sade forskningen främjar vår förståelse av hur nanomaterial och levande organismer interagerar. Han noterade att tidigare studier har visat att nanopartiklar kan vara giftiga för vissa ekosystem, men det verkade inte vara ett problem här.
Istället, han sa, forskarna verkade kunna optimera prestanda för några av anläggningens maskiner på ett sätt som naturen ännu inte har gjort.
"Detta arbete är ett viktigt steg mot en rationell utformning av växtsystem som kan effektivisera skörd och bioavkänning av solenergi - bortom gränserna för naturlig utveckling, " han sa.
© 2014 Los Angeles Times
Distribueras av MCT Information Services
