Сами по себе хлоропласты поглощают свет только из видимой части солнечного спектра, обеспечивая доступ только примерно к 50% падающего солнечного излучения, и менее 10% полного солнечного света насыщают емкость фотосинтетического аппарата. Считается, что этот нанобио-подход увеличивает ширину солнечного спектра, который используется для производства энергии, и, как ожидается, внесет вклад в разработку биомиметических материалов с повышенной фотосинтетической активностью и повышенной устойчивостью к окислительной деградации.
Был разработан новый нанобионный подход, который придает более высокую фотосинтетическую активность листьям растений и экстрагированным хлоропластам растений, биологическим органеллам, которые преобразуют захваченный углекислый газ в солнечную энергию. В то время как хлоропласты содержат все биохимические механизмы, необходимые для фотосинтеза, мало что известно о том, как создать хлоропласты, извлеченные из растений, для долгосрочного и стабильного использования солнечной энергии. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что высоко заряженные одностенные углеродные нанотрубки (УНТ), покрытые ДНК и хитозаном (биомолекула, полученная из панцирей креветок и других ракообразных), способны спонтанно проникать в хлоропласты. Этот новый процесс проникновения через липидообменную оболочку (LEEP) для включения наноструктур включает обертывание УНТ или наночастиц высокозаряженными молекулами ДНК или полимера, что позволяет им проникать в жирные гидрофобные мембраны, окружающие хлоропласты.
Включение УНТ в хлоропласты, экстрагированные из растений, увеличивало фотосинтетическую активность холоропласта на 49% по сравнению с контролем. Когда эти нанокомпозиты были включены в хлоропласты листьев живых растений, поток электронов, связанный с фотосинтезом, увеличился на 30%.
Эти результаты согласуются с идеей о том, что полупроводниковые углеродные нанотрубки способны расширять захват света растительными материалами на другие части солнечного спектра, такие как зеленый, ближний инфракрасный и ультрафиолетовый. Еще одно серьезное ограничение в использовании экстрагированных хлоропластов для использования в солнечной энергии состоит в том, что они легко разрушаются из-за повреждения фотосинтетических белков, вызванного светом и кислородом. Когда мощные поглотители кислородных радикалов, такие как наночастицы оксида церия (наноцерия), были объединены с сильно заряженным полимером (полиакриловой кислотой) и включены в экстрагированные хлоропласты с использованием процесса LEEP, повреждение хлоропластов супероксидами и другими реактивными формами кислорода было значительно уменьшено.
Ожидается, что этот подход нанобионики внесет вклад в разработку биомиметических материалов для сбора света и преобразования солнечной энергии, а также в биохимическое обнаружение с регенеративными свойствами и повышенной эффективностью.