Nanotehnologia ar putea transforma arbustii in generatoare masive de energie sau in senzori pentru explozibili. Plantele sunt foarte valoroase: sunt folosite in alimentatie, sunt transformate in carburanti, emit oxigenul in aer si, datorita frumusetii lor, au rol decorativ. In prezent, o echipa de cercetatori de la MIT si-a propus sa intensifice utilitatea plantelor prin adaugarea unor nanomateriale care ar putea sa le amplifice productia de energie si sa le ofere noi roluri, cum ar fi monitorizarea poluarii mediului inconjurator.
Intr-un articol recent din Nature Materials, cercetatorii au scris despre dezvoltarea abilitatii plantelor de a captura energia cu 30% mai mult, prin implantarea nanotuburilor de carbon in cloroplaste, organitele plantei unde are loc fotosinteza. De asemenea, au reusit sa modifice plantele astfel incat sa detecteze oxidul nitric, prin implantarea unui alt tip de nanotuburi de carbon. Acestia sunt primii pasi in lansarea unui domeniu stiintific pe care cercetatorii l-au denumit ,,nanobionica plantelor”.
,,Plantele sunt potrivite pentru rolul de platforma tehnologica. Se vindeca singure, sunt durabile, rezista mediilor aspre si au propriile surse de energie si de apa”, ne spune Michael Strano, profesor de inginerie chimica si liderul echipei de cercetare de la MIT. Acesta, impreuna cu Juan Pablo Giraldo, biolog si autor principal al articolului, preconizeaza transformarea plantelor in dispozitive fotonice, cu energie proprie, precum detectoarele de explozibili sau armele chimice. Cercetatorii lucreaza si la integrarea unor dispozitive electronice in plante. ,,Potentialul este cu adevarat nesfarsit”, adauga Strano.
Amplificarea fotosintezei
Ideea plantelor nanobionice s-a dezvoltat in cadrul unui proiect din laboratorul lui Strano, cu privire la crearea unor celule solare, care se vindeca singure, din celulele plantelor. Urmatorul pas a fost reprezentat de dorinta cercetatorilor de a incerca amplificarea fotosintezei in cloroplastele izolate din plante, pentru a putea fi folosita in celulele solare.
Cloroplastele gazduiesc tot ceea ce trebuie pentru fotosinteza formata din doua etape. In prima etapa, pigmentii precum clorofila absorb lumina, ceea ce genereaza stimularea electronilor care circula prin tilacoidele cloroplastelor. Planta capteaza aceasta energie electrica si o foloseste pentru a alimenta cea de a doua etapa a fotosintezei, crearea glucozei.
Cloroplastele au aceste reactii si dupa ce au fost indepartate din plante, insa, dupa cateva ore, se descompun deoarece lumina si oxigenul distrug proteinele lor fotosintetice. In mod normal, spre deosebire de cloroplastele extrase, plantele pot repara acest proces daunator. Pentru a prelungi productivitatea cloroplastelor, cercetatorii le-au atasat nanoparticule de oxid ceric. Aceste particule sunt, de fapt, antioxidanti puternici care elimina radicalii de oxigen si alte molecule cu reactivitate mare produse de lumina si oxigen, protejand cloroplastele de descompunere.
Cercetatorii au introdus nanoparticulele in cloroplaste folosind o tehnica noua, denumita LEEP – lipid exchange envelope penetration. Infasurand particulele in acid poliacrilic, o molecula puternic incarcata a permis particulelor sa penetreze membranele hidrofobe lipide care inconjoara cloroplastele. In aceste cloroplaste, nivelul de descompunere a moleculelor a scazut enorm.
Folosind aceeasi tehnica, cercetatorii au introdus in cloroplaste nanotuburi semiconductoare de carbon, infasurate in ADN incarcat negativ. In general, plantele utilizeaza doar o zecime din lumina solara disponibila, insa nanotuburile de carbon au functionat ca antene artificiale care au permis cloroplastelor sa capteze unde de lumina neobisnuite, precum verde, ultraviolet si infrarosu apropiat.
In timp ce nanotuburile de carbon functionau ca fotoabsorbante prostetice, fotosinteza, masurata prin nivelul de activitate a electronilor din tilacoide, era cu 49% mai intensificata decat in cloroplastele izolate fara nanotuburi atasati. Atunci cand oxidul de ceriu s-a unit cu nanotuburile de carbon, cloroplastele au ramas active pentru urmatoarele ore.
Cercetatorii au trecut la plantele vii si au folosit o tehnica numita infuzie vasculara pentru a atasa nanoparticule in Arabidopsis thaliana, o planta de talie mica, cu flori. Folosind metoda de mai sus, cercetatorii au aplicat o solutie formata din nanoparticule pe partea inferioara a frunzei, penetrand stomatele care, de obicei, permit dioxidului de carbon sa intre si oxigenului sa iasa. In aceste plante, nanotuburile au patruns in cloroplaste si au marit circuitul electronilor fotosintetici cu aproximativ 30%. Urmeaza sa fie descoperit si modul in care aceste procente influenteaza productia de zahar a plantelor. ,,Incercam, in laboratorul nostru, sa aflam raspunsul si la urmatoarea intrebare: Care este impactul nanoparticulelor in producerea combustibilului chimic denumit glucoza?”, completeaza Giraldo.
Masinariile verzi
Oamenii de stiinta au reusit sa transforme planta Arabidopsis thaliana intr-un senzor chimic, prin implantarea nanotuburilor care detecteaza oxidul nitric, o substanta poluanta, produsa prin arderea combustibililor. Laboratorul lui Strano a creat senzori pe baza de nanotuburi de carbon pentru mai multe chimicale, inclusiv peroxidul de hidrogen, trinitrotoluenul si gazul sarin. Cand moleculele se ataseaza polimerilor infasurati in nanotuburi, fluorescenta acestor nanotuburi este alterata.
,,Intr-o zi, vom putea folosi nanotuburile de carbon pentru a crea senzori care sa detecteze radicalii liberi in timp real, la nivel de particula, sau sa semnaleze prezenta moleculelor cu un nivel de concentrare foarte scazut si prea dificile de detectat”, spune Giraldo. Aceasta este o demonstratie extraordinara a modului in care nanotehnologia poate fi combinata cu biologia sintetica pentru a modifica si a amplifica functiile organismelor vii; a plantelor, in cazul nostru”, adauga James Collins, un profesor de inginerie biomedicala de la Universitatea din Boston, neimplicat in cercetare. Autorii arata modul in care nanoparticulele care se aranjeaza singure pot fi intrebuintate pentru a amplifica capacitatea fotosintetica a plantelor, fiind utilizate ca biosenzori si reducatori de stres”.
Prin adaptarea senzorilor in functie de obiective, cercetatorii spera sa dezvolte plantele care ar putea fi folosite pentru a monitoriza poluarea mediului, pesticidele, infectiile fungale sau expunerea la toxine bacteriane. Se incearca si incorporarea nanomaterialelor electronice in plante, cum ar fi grafenul. ,,In prezent, aproape nimeni nu lucreaza in acest domeniu nou aparut. Este o oportunitate pentru comunitatea botanistilor si a inginerilor din nanotehnologia chimica de a lucra impreuna intr-un domeniu cu un potential urias”, declara Giraldo.
