Роль растений в жизни планеты и её обитателей огромна: они способны создавать органические вещества из неорганических, служат источником кислорода, которым дышат животные и люди, а также являются богатой полезными веществами пищей. Команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) придумала, как сделать растения ещё более функциональными и использовала для этого современные методики в области нанотехнологий.

Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Materials, способность растений к фотосинтезу выросла на 30% после внедрения углеродных нанотрубок в хлоропласты — органеллы, где происходит собственно процесс захвата энергии света и образования органических веществ и воды.

Использование другого типа углеродных нанотрубок привело к созданию растений, чувствительных к оксиду азота. Своё исследование учёные отнесли к новой области, которую назвали «нанобионикой растений».

«Растения являются очень перспективной технологической платформой. Они способны к самовосстановлению, экологически стабильны, устойчивы к агрессивным условиям среды и умеют сами себя обеспечивать водой и питанием», — рассказывает ведущий автор исследования Майкл Страно (Michael Strano).

Изначально идея нанобионических растений вышла из проекта по созданию самовосстанавливающихся солнечных батарей, которые бы регенерировали подобно растительным клеткам. В рамках этой работы исследователи попробовали увеличить способность хлоропластов к фотосинтезу, что можно было бы использовать в солнечных батареях.

Как известно, хлоропласты обладают всем необходимым для проведения двухэтапного фотосинтеза. Сначала пигмент хлорофилл поглощает свет. Кванты света возбуждают электроны, проходящие через тилакоидные мембраны хлоропласта. Затем растение использует полученную электроэнергию для проведения второго этапа фотосинтеза — создания сахаров.

Даже если удалить хлоропласты из растений, они всё равно не потеряют способности к фотосинтезу, однако после нескольких часов начнут разрушаться, поскольку свет и кислород повреждают фотосинтетические белки. Если растения способны устранить эти повреждения, то автономные хлоропласты не могут этого сделать.

Чтобы продлить производительность хлоропластов, учёные вживили в них наночастицы оксида церия, также известные как наноцерий. Эти частицы являются сильными антиоксидантами, то есть препятствуют окислительным процессам, «нейтрализуя» кислородсодержащие радикалы и другие высокореакционные молекулы. Таким образом хлоропласты защищаются от повреждений.

Для доставки наночастиц в хлоропласты была разработана отдельная методика, которую учёные назвали аббревиатурой LEEP: частицы упаковываются в полиакриловую кислоту, словно в конверт, за счёт чего они приобретают способность проникать в жирные гидрофобные мембраны, которые окружают хлоропласты. При помощи той же методики исследователи внедрили в хлоропласты полупроводниковые углеродные нанотрубки, покрытые отрицательно заряженной ДНК. Растения обычно используют только 10% солнечного света, но нанотрубки выступили в роли антенн, которые позволили растениям охватить новые длины волн света — например, ультрафиолетового, зелёного и ближнего инфракрасного диапазонов.

Как показали результаты эксперимента, после внедрения нанотрубок фотосинтетическая активность, измеряемая по скорости потока электронов через тилакоидные мембраны, выросла на 49% по сравнению с обычными изолированными хлоропластами.

Что ещё более интересно, когда наноцерий и углеродные нанотрубки вживили в хлоропласты одновременно, последние оставались активными в течение нескольких дополнительных часов.

В ходе последующего эксперимента Страно и его коллеги взяли живое растение — резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), и попробовали вживить ему те же наночастицы, только при помощи другой технологии. На нижнюю сторону листа растения нанесли раствор из наночастиц, и он проник в лист через крошечные поры, которые обычно позволяют углекислому газу проходить внутрь и выпускать кислород.

На этот раз нанотрубки, переместившиеся прямо в хлоропласты резуховидки Таля, увеличили фотосинтетический поток электронов на 30%.

«Мы по-прежнему ищем ответ на вопрос, как именно наночастицы повлияли на производство химического топлива, например, глюкозы», — сообщает соавтор исследования Хуан Пабло Хиральдо (Juan Pablo Giraldo), также из MIT.

По итогам своей работы учёные задумались, насколько широка может быть область применения данного нововведения: растения потенциально возможно превратить в фотонные устройства с автономным источником питания, и использовать их в качестве детекторов взрывчатых или химических веществ. Помимо этого, можно разработать метод внедрения электроники в сами растения.

Страно и его команда специализируются на создании датчиков из углеродных нанотрубок для различных химических веществ, в том числе перекиси водорода, взрывчатых веществ и нервно-паралитического газа зарина. Когда молекула-мишень связывается с полимером, охватывающим нанотрубку, то флуоресценция последней изменяется — так и происходит обнаружение вещества.

Исследователи показали на примере той же резуховидки Таля, что растения могут послужить не только улучшенными «солнечными батареями», но и химическими сенсорами. Надо только внедрить в их хлоропласты углеродные нанотрубки, чувствительные к оксиду азота — экологического загрязнителя, который синтезируется при горении.

Также учёные планируют создать растения, чувствительные к пестицидам, грибковым инфекциям и бактериальным токсинам, чтобы в будущем обеспечить за счёт этих биосенсоров безопасность человека и животных. Более того, Страно и его коллеги работают над проектом по вживлению в растения электронных наноматериелов, таких как графен. Таким образом можно будет создать целую экосистему, следящую за уровнем чистоты и безопасности окружающей среды, считают изобретатели.