Инженеры Массачусетского технологического института сделали важный первый шаг к воплощению этой мечты в реальность. Встраивая специальные наночастицы в листья кресс-салата, они заставляли растения излучать тусклый свет в течение почти четырех часов.
Они считают, что при дальнейшей оптимизации такие растения однажды станут достаточно яркими, чтобы освещать рабочее место.«Идея состоит в том, чтобы создать растение, которое будет функционировать как настольная лампа — лампа, которую не нужно подключать к розетке. В конечном итоге свет зависит от энергетического метаболизма самого растения», — говорит Майкл Страно, специалист по углерода П. Дуббс, профессор химической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор исследования.По словам исследователей, эту технологию также можно использовать для обеспечения слабого внутреннего освещения или для преобразования деревьев в автономные уличные фонари.
Постдок из Массачусетского технологического института Сон-Ён Квак является ведущим автором исследования, которое опубликовано в журнале Nano Letters.Нанобионные растения
Нанобионика растений, новое направление исследований, впервые начатое лабораторией Страно, направлена на то, чтобы придать растениям новые свойства, встраивая в них различные типы наночастиц. Цель группы — проектировать заводы, которые взяли бы на себя многие функции, которые сейчас выполняются электрическими устройствами. Исследователи ранее разработали установки, которые могут обнаруживать взрывчатые вещества и передавать эту информацию на смартфон, а также растения, которые могут отслеживать условия засухи.
Освещение, на которое приходится около 20 процентов мирового потребления энергии, казалось следующей логической целью. «Растения могут самовосстанавливаться, у них есть собственная энергия, и они уже адаптированы к окружающей среде», — говорит Страно. «Мы думаем, что время этой идеи пришло. Это идеальная проблема для растительной нанобионики».
Чтобы создать свои светящиеся растения, команда Массачусетского технологического института обратилась к люциферазе, ферменту, который придает светлячкам их сияние. Люцифераза действует на молекулу люциферина, заставляя ее излучать свет.
Другая молекула, называемая коферментом А, помогает этому процессу, удаляя побочный продукт реакции, который может ингибировать активность люциферазы.Команда Массачусетского технологического института упаковала каждый из этих трех компонентов в носитель наночастиц разного типа. Наночастицы, которые сделаны из материалов, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует как «в целом считается безопасным», помогают каждому компоненту попасть в нужную часть растения. Они также предотвращают достижение концентраций компонентов, которые могут быть токсичными для растений.
Исследователи использовали наночастицы диоксида кремния диаметром около 10 нанометров для переноса люциферазы, и они использовали более крупные частицы полимеров PLGA и хитозана для переноса люциферина и кофермента А соответственно. Чтобы частицы попали в листья растений, исследователи сначала суспендировали частицы в растворе. Растения погружали в раствор, а затем подвергали воздействию высокого давления, позволяя частицам проникать в листья через крошечные поры, называемые устьицами.
Частицы, выделяющие люциферин и кофермент А, были разработаны для накопления во внеклеточном пространстве мезофилла, внутреннего слоя листа, в то время как более мелкие частицы, несущие люциферазу, проникают в клетки, составляющие мезофилл. Частицы PLGA постепенно высвобождают люциферин, который затем попадает в клетки растений, где люцифераза выполняет химическую реакцию, заставляющую люциферин светиться.
Первые усилия исследователей в начале проекта дали растения, которые могли светиться около 45 минут, с тех пор они улучшили время до 3,5 часов. Свет, излучаемый одним 10-сантиметровым ростком кресс-салата, в настоящее время составляет примерно одну тысячную от количества, необходимого для чтения, но исследователи полагают, что они могут увеличить излучаемый свет, а также продолжительность света, путем дальнейшей оптимизации концентрации и высвобождения. ставки компонентов.
Трансформация растенийПредыдущие попытки создать светоизлучающие растения основывались на генетической инженерии растений для экспрессии гена люциферазы, но это трудоемкий процесс, дающий очень тусклый свет.
Эти исследования проводились на растениях табака и Arabidopsis thaliana, которые обычно используются для генетических исследований растений. Однако метод, разработанный лабораторией Страно, можно было использовать на любом типе растений. Пока что они продемонстрировали это с рукколой, капустой и шпинатом в дополнение к кресс-салату.В будущих версиях этой технологии исследователи надеются разработать способ окрашивания или распыления наночастиц на листья растений, что позволит превратить деревья и другие крупные растения в источники света.
«Наша цель — провести одну обработку, когда растение представляет собой рассаду или зрелое растение, и сохранить ее на протяжении всего срока службы растения», — говорит Страно. «Наша работа очень серьезно открывает двери для уличных фонарей, которые представляют собой не что иное, как обработанные деревья, а также для непрямого освещения вокруг домов».Исследователи также продемонстрировали, что можно выключить свет, добавив наночастицы, несущие ингибитор люциферазы.
По словам исследователей, это может позволить им в конечном итоге создать растения, которые отключают излучение света в ответ на такие условия окружающей среды, как солнечный свет.Исследование финансировалось Министерством энергетики США.