Tänk att istället för att tända en lampa när det blir mörkt, du kunde läsa av ljuset från en glödande växt på ditt skrivbord.

MIT -ingenjörer har tagit ett kritiskt första steg mot att göra den visionen till verklighet. Genom att bädda in specialiserade nanopartiklar i bladen på en vattenkrasseväxt, de fick växterna att avge svagt ljus i nästan fyra timmar. De tror att med ytterligare optimering, sådana växter kommer en dag att vara tillräckligt ljusa för att belysa en arbetsyta.

"Visionen är att göra en växt som kommer att fungera som en skrivbordslampa - en lampa som du inte behöver koppla in. Ljuset drivs slutligen av energimetabolismen i själva växten, "säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT och seniorförfattare till studien.

Denna teknik kan också användas för att ge inomhusbelysning med låg intensitet, eller för att omvandla träd till självdrivna gatlampor, säger forskarna.

MIT postdoc Seon-Yeong Kwak är huvudförfattare till studien, som visas i journalen Nano bokstäver .

Nanobioniska växter

Växtnanobionik, ett nytt forskningsområde som var banbrytande av Stranos laboratorium, syftar till att ge växter nya funktioner genom att bädda in dem med olika typer av nanopartiklar. Gruppens mål är att konstruera anläggningar för att ta över många av de funktioner som nu utförs av elektriska apparater. Forskarna har tidigare designat växter som kan upptäcka sprängämnen och kommunicera den informationen till en smartphone, liksom växter som kan övervaka torka.

Belysning, som står för cirka 20 procent av världens energiförbrukning, verkade som ett logiskt nästa mål. "Växter kan reparera sig själv, de har sin egen energi, och de är redan anpassade till utomhusmiljön, "Strano säger." Vi tror att det här är en idé vars tid har kommit. Det är ett perfekt problem för växtnanobionik. "

För att skapa sina glödande växter, MIT -teamet vände sig till luciferas, enzymet som ger eldflugor sin glöd. Luciferas verkar på en molekyl som kallas luciferin, får den att avge ljus. En annan molekyl som kallas co-enzym A hjälper processen genom att ta bort en reaktionsbiprodukt som kan hämma luciferasaktivitet.

MIT -teamet förpackade var och en av dessa tre komponenter i en annan typ av nanopartikelbärare. Nanopartiklarna, som alla är gjorda av material som U.S. Food and Drug Administration klassificerar som "allmänt betraktat som säkert, "hjälper varje komponent att komma till rätt del av anläggningen. De förhindrar också att komponenterna når koncentrationer som kan vara giftiga för växterna.

Forskarna använde kiseldioxid nanopartiklar med cirka 10 nanometer i diameter för att bära luciferas, och de använde något större partiklar av polymererna PLGA och kitosan för att bära luciferin och koenzym A, respektive. För att få in partiklarna i växtblad, forskarna suspenderade först partiklarna i en lösning. Växter nedsänktes i lösningen och utsattes sedan för högt tryck, så att partiklarna kan komma in i bladen genom små porer som kallas stomata.

Partiklar som släpper ut luciferin och koenzym A utformades för att ackumuleras i mesofyllens extracellulära utrymme, ett inre lager av bladet, medan de mindre partiklarna som bär luciferas kommer in i cellerna som utgör mesofyllen. PLGA -partiklarna frigör gradvis luciferin, som sedan kommer in i växtcellerna, där luciferas utför den kemiska reaktionen som får luciferin att lysa.

Forskarnas tidiga insatser i början av projektet gav växter som kunde lysa i cirka 45 minuter, som de sedan har förbättrats till 3,5 timmar. Ljuset som genereras av en 10 centimeter vattenkrasseplanta är för närvarande ungefär en tusendel av den mängd som behövs för att läsa av, men forskarna tror att de kan öka ljuset som släpps ut, samt ljusets varaktighet, genom att ytterligare optimera koncentrationen och frisättningshastigheterna för komponenterna.

Växtomvandling

Tidigare försök att skapa ljusemitterande växter har förlitat sig på gentekniska växter för att uttrycka genen för luciferas, men detta är en mödosam process som ger extremt svagt ljus. Dessa studier utfördes på tobaksväxter och Arabidopsis thaliana, som vanligtvis används för växtgenetiska studier. Dock, metoden som utvecklats av Stranos laboratorium kan användas på alla typer av växter. Än så länge, de har visat det med ruccola, grönkål, och spenat, förutom vattenkrasse.

För framtida versioner av denna teknik, forskarna hoppas kunna utveckla ett sätt att måla eller spruta nanopartiklarna på växtblad, som skulle kunna göra det möjligt att omvandla träd och andra stora växter till ljuskällor.

"Vårt mål är att utföra en behandling när växten är en planta eller en mogen växt, och ha den kvar hela plantans livstid, "Säger Strano." Vårt arbete öppnar på allvar allvar för dörröppningarna till gatlampor som inte är annat än behandlade träd, och till indirekt belysning runt hem. "

Forskarna har också visat att de kan släcka ljuset genom att lägga till nanopartiklar som bär en luciferashämmare. Detta kan göra det möjligt för dem att så småningom skapa växter som stänger av sitt ljusutsläpp som svar på miljöförhållanden som solljus, säger forskarna.