Science fiction-författare har länge föreställt sig hybrider mellan människa och maskin som har extraordinära krafter. Dock, "superväxter" med integrerade nanomaterial kan vara mycket närmare verkligheten än cyborgs. I dag, forskare rapporterar utvecklingen av växter som kan göra nanomaterial som kallas metall-organiska ramverk (MOF) och applicering av MOF som beläggning på växter. De utökade anläggningarna kan potentiellt utföra användbara nya funktioner, som att känna av kemikalier eller skörda ljus mer effektivt.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Spring 2019 National Meeting &Exposition.

Enligt projektets ledande forskare, Joseph Richardson, Ph.D., människor har introducerat främmande material till växter i tusentals år. "Ett exempel på detta är blomfärgning, " säger han. "Du skulle doppa en snittblomsstjälk i något färgämne, och färgen skulle tas upp genom stjälken och tränga in i blombladen, och då skulle du se dessa vackra färger."

På grund av deras omfattande kärlnätverk, växter absorberar lätt vatten och molekyler lösta i vätskor. Dock, det är svårare för större material och nanopartiklar som MOF att penetrera rötter. Så Richardson och kollegor vid University of Melbourne (Australien) undrade om de kunde mata växter med MOF-prekursorer, som växterna skulle ta upp och sedan omvandla till färdiga nanomaterial.

MOFs - som består av metalljoner eller kluster kopplade till organiska molekyler - bildar mycket porösa kristaller som kan soppas upp, lagra och frigöra andra molekyler, ungefär som en svamp. Kemister har gjort tusentals olika MOF hittills, med potentiella tillämpningar som sträcker sig från att lagra vätebränsle till att absorbera växthusgaser till att leverera mediciner i kroppen. Att låta växter tillverka små mängder av dessa användbara föreningar i sina egna vävnader kan ge dem nya förmågor som inte syns i naturen.

För att se om växter kan göra MOF:er, Richardson och kollegor tillsatte metallsalter och organiska länkar till vatten och placerade sedan sticklingar eller intakta växter i lösningen. Växterna transporterade prekursorerna in i sina vävnader, där två olika typer av fluorescerande MOF-kristaller växte. I ett proof-of-concept-experiment, MOF-producerande lotusväxtklipp detekterade små koncentrationer av aceton i vatten, vilket visas av en minskning av fluorescensen hos materialen. Baserat på dessa resultat, Richardson planerar att undersöka om växt-MOF-hybrider kan känna av sprängämnen eller andra flyktiga kemikalier, vilket kan vara användbart för flygplatssäkerhet.

Förutom att växterna gör MOF, de färdiga materialen kan användas som en beläggning på växterna för att hjälpa dem att omvandla skadliga ultravioletta (UV) strålar till ljus som är mer användbart för fotosyntesen. "När vi överväger att odla grödor i rymden eller på Mars där du inte har någon atmosfär och bombarderas av UV-strålar, något sådant här kan vara till hjälp, " säger Richardson. "Det beror på att det inte bara skyddar växterna från UV-strålar, men det förvandlar dem också till nyttig energi. Speciellt när du kommer längre bort från solen, det är svårare att fånga allt ljus du behöver för fotosyntes."

Forskarna har redan börjat undersöka nanomaterialens skyddande förmåga, och de preliminära uppgifterna är lovande. Teamet belade urklipp av krysantemum och lilyturf med självlysande MOF och exponerade sedan växterna för UVC-ljus i tre timmar. Jämfört med obestruket urklipp, plantorna med MOF visade mindre vissnande och blekning.

Nu, Richardson samarbetar med växtbiologer för att studera effekterna av MOF på växternas tillväxt. Än så länge, de har inte märkt någon toxicitet hos nanomaterialen. Forskarna vill också undersöka om MOF faktiskt kan hjälpa växter att växa bättre, vilket kan leda till tillämpningar inom jordbruket.