En ny process har utvecklats för att spontant införliva och montera kolnanorör (CNT) och syrefångande nanopartiklar i kloroplaster, den del av växtceller som utför fotosyntes – omvandlar ljus till energi. Införlivande av CNT förbättrade elektronflödet associerat med fotosyntes med 49% i extraherade kloroplaster och med 30% i löv från levande växter, och inkorporering av ceriumoxidnanopartiklar (nanoceria) i extraherade kloroplaster reducerade signifikant koncentrationerna av superoxid, en förening som är giftig för växter.

Kloroplaster absorberar endast ljus från den synliga delen av solspektrumet, ger tillgång till endast cirka 50 % av den infallande solenergistrålningen, och mindre än 10 % av fullt solljus mättar kapaciteten hos fotosyntesapparaten. Denna nanobio-metod tros öka bredden på solspektrumet som används för att producera energi och förväntas bidra till utvecklingen av biomimetiska material med förbättrad fotosyntetisk aktivitet och förbättrad stabilitet mot oxidativ nedbrytning.

En ny nanobionisk metod har utvecklats som ger högre fotosyntetisk aktivitet till växtblad och extraherade växtkloroplaster, de biologiska organellerna som omvandlar infångad koldioxid till solenergi. Medan kloroplaster är värd för alla biokemiska maskiner som behövs för fotosyntes, lite är känt om hur man konstruerar kloroplaster som extraheras från växter på lång sikt, stabil utnyttjande av solenergi. Nu, forskare vid Massachusetts Institute of Technology har upptäckt att högladdade enkelväggiga kolnanorör (CNT) belagda med DNA och kitosan (en biomolekyl som härrör från räkor och andra skaldjursskal) kan spontant tränga in i kloroplaster.

Denna nya lipid exchange envelope penetration (LEEP) process för att införliva nanostrukturerna innebär att CNT eller nanopartiklar lindas in med högladdade DNA- eller polymermolekyler, gör det möjligt för dem att tränga in i fettet, hydrofoba membran som omger kloroplaster. Inkorporering av CNT i kloroplaster extraherade från växter ökade koloroplastens fotosyntetiska aktivitet med 49 % jämfört med kontrollen. När dessa nanokompositer införlivades i bladkloroplaster från levande växter, elektronflödet associerat med fotosyntesen förbättrades med 30 %.

Dessa resultat överensstämmer med idén att halvledande kolnanorör kan expandera ljusfångningen av växtmaterial till andra delar av solspektrumet, såsom det gröna, nära infrarött och ultraviolett. En annan stor begränsning i användningen av extraherade kloroplaster för solenergitillämpningar är att de lätt bryts ner på grund av ljus- och syreinducerade skador på de fotosyntetiska proteinerna. När potenta syreradikaler som ceriumoxidnanopartiklar (nanoceria) kombinerades med en högladdad polymer (polyakrylsyra) och införlivades i extraherade kloroplaster med hjälp av LEEP-processen, skador på kloroplasterna från superoxider och andra reaktiva syrearter minskade dramatiskt. Denna nanobioniska metod förväntas bidra till utvecklingen av biomimetiska material för ljusskörd och solenergiomvandling, samt biokemisk detektion med regenerativa egenskaper och ökad effektivitet.