Spenat är inte längre bara en superfood:Genom att bädda in blad med kolnanorör, MIT-ingenjörer har förvandlat spenatplantor till sensorer som kan upptäcka sprängämnen och trådlöst vidarebefordra den informationen till en handhållen enhet som liknar en smartphone.

Detta är en av de första demonstrationerna av att konstruera elektroniska system i anläggningar, ett tillvägagångssätt som forskarna kallar "växtnanobionics".

"Målet med växtnanobionics är att introducera nanopartiklar i växten för att ge den icke-inhemska funktioner, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och ledaren för forskargruppen.

I detta fall, växterna designades för att detektera kemiska föreningar som kallas nitroaromatics, som ofta används i landminor och andra sprängämnen. När en av dessa kemikalier finns i grundvattnet som provtas naturligt av växten, kolnanorör inbäddade i växtlöven avger en fluorescerande signal som kan avläsas med en infraröd kamera. Kameran kan anslutas till en liten dator som liknar en smartphone, som sedan skickar ett e-postmeddelande till användaren.

"Detta är en ny demonstration av hur vi har övervunnit kommunikationsbarriären mellan växter och människor, säger Strano, som tror att växtkraft också kan utnyttjas för att varna för föroreningar och miljöförhållanden som torka.

Strano är seniorförfattare till en artikel som beskriver de nanobioniska växterna i numret 31 oktober av Naturmaterial . Tidningens huvudförfattare är Min Hao Wong, en MIT doktorand som har startat ett företag som heter Plantea för att vidareutveckla denna teknik.

Miljöövervakning

Två år sedan, i den första demonstrationen av växtnanobionics, Strano och tidigare MIT postdoc Juan Pablo Giraldo använde nanopartiklar för att förbättra växters fotosyntesförmåga och förvandla dem till sensorer för kväveoxid, en förorening som produceras vid förbränning.

Växter är idealiska för att övervaka miljön eftersom de redan tar in mycket information från sin omgivning, säger Strano.

"Växter är mycket bra analytiska kemister, " säger han. "De har ett omfattande rotnätverk i jorden, provar ständigt grundvatten, och har ett sätt att själv driva transporten av det vattnet upp i löven."

Stranos labb har tidigare utvecklat kolnanorör som kan användas som sensorer för att detektera ett brett spektrum av molekyler, inklusive väteperoxid, det explosiva TNT, och nervgasen sarin. När målmolekylen binder till en polymer lindad runt nanoröret, det förändrar rörets fluorescens.

I den nya studien, forskarna bäddade in sensorer för nitroaromatiska föreningar i bladen på spenatväxter. Med hjälp av en teknik som kallas vaskulär infusion, som innebär att man applicerar en lösning av nanopartiklar på undersidan av bladet, de placerade sensorerna i ett bladlager som kallas mesofyll, det är där den mesta fotosyntesen sker.

De inbäddade också kolnanorör som avger en konstant fluorescerande signal som fungerar som referens. Detta gör att forskarna kan jämföra de två fluorescerande signalerna, vilket gör det lättare att avgöra om explosivsensorn har upptäckt något. Om det finns några explosiva molekyler i grundvattnet, det tar cirka 10 minuter för plantan att dra upp dem i bladen, där de stöter på detektorn.

För att läsa signalen, forskarna lyser med en laser på bladet, får nanorören i bladet att avge nära-infrarött fluorescerande ljus. Detta kan upptäckas med en liten infraröd kamera ansluten till en Raspberry Pi, en dator i kreditkortsstorlek 35 USD som liknar datorn inuti en smartphone. Signalen kunde också detekteras med en smartphone genom att ta bort det infraröda filtret som de flesta kameratelefoner har, säger forskarna.

"Den här inställningen skulle kunna ersättas av en mobiltelefon och rätt sorts kamera, " säger Strano. "Det är bara det infraröda filtret som skulle hindra dig från att använda din mobiltelefon."

Med denna inställning, forskarna kan fånga en signal på cirka 1 meters avstånd från anläggningen, och de arbetar nu med att öka det avståndet.

"En mängd information"

I 2014 års växtnanobionikstudie, Stranos labb arbetade med en vanlig laboratorieanläggning känd som Arabidopsis thaliana. Dock, forskarna ville använda vanliga spenatväxter för den senaste studien, för att visa mångsidigheten hos denna teknik. "Du kan tillämpa dessa tekniker med vilken levande växt som helst, " säger Strano.

Än så länge, forskarna har också konstruerat spenatväxter som kan detektera dopamin, som påverkar växtens rottillväxt, och de arbetar nu med ytterligare sensorer, inklusive några som spårar de kemikalier som växter använder för att förmedla information i sina egna vävnader.

"Växter är mycket miljövänliga, " säger Strano. "De vet att det kommer att bli en torka långt innan vi gör det. De kan upptäcka små förändringar i jord- och vattenpotentialens egenskaper. Om vi ​​utnyttjar de kemiska signalvägarna, det finns en mängd information att komma åt."

Dessa sensorer kan också hjälpa botaniker att lära sig mer om växternas inre funktioner, övervaka växternas hälsa, och maximera utbytet av sällsynta föreningar som syntetiseras av växter som Madagaskarsnäckan, som producerar läkemedel som används för att behandla cancer.

"Dessa sensorer ger realtidsinformation från anläggningen. Det är nästan som att låta anläggningen prata med oss ​​om miljön de befinner sig i, " säger Wong. "När det gäller precisionsjordbruk, att ha sådan information kan direkt påverka avkastningen och marginalerna."