Представьте, что вместо того, чтобы включать лампу, когда стемнеет, вы можете читать при свете светящегося растения на своем столе.
Инженеры Массачусетского технологического института сделали важный первый шаг к тому, чтобы воплотить это видение в реальность. Внедрив специальные наночастицы в листья кресс-салата, они заставили растения излучать тусклый свет в течение почти четырех часов. Они считают, что при дальнейшей оптимизации такие растения однажды станут достаточно яркими, чтобы освещать рабочее пространство.
«Идея состоит в том, чтобы сделать растение, которое будет функционировать как настольная лампа - лампу, которую вам не нужно подключать к розетке. В конечном итоге свет питается от энергетического метаболизма самого растения», - говорит Майкл. Страно, профессор химической технологии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования
Эта технология также может быть использована для обеспечения низкой интенсивности внутреннего освещения или для преобразования деревьев в уличные фонари с автономным питанием, говорят исследователи.
Постдоктор Массачусетского технологического института Сон-Ён Квак является ведущим автором исследования, опубликованного в журнале Nano Letters.
Нанобионические растения
Нанобионика растений, новая область исследований, впервые разработанная лабораторией Страно, направлена на придание растениям новых свойств путем внедрения в них различных типов наночастиц. Цель группы состоит в том, чтобы спроектировать растения, чтобы взять на себя многие функции, которые сейчас выполняют электрические устройства. Исследователи ранее разработали установки, которые могут обнаруживать взрывчатые вещества и передавать эту информацию на смартфон, а также установки, которые могут отслеживать условия засухи.
Освещение, на долю которого приходится около 20 процентов мирового потребления энергии, казалось следующей логичной целью. «Растения могут самовосстанавливаться, у них есть собственная энергия, и они уже адаптированы к внешней среде», - говорит Страно. «Мы думаем, что время для этой идеи пришло. Это идеальная задача для нанобионики растений».
Чтобы создать свои светящиеся растения, команда Массачусетского технологического института обратилась к люциферазе, ферменту, который придает светлячкам их свечение. Люцифераза воздействует на молекулу под названием люциферин, заставляя ее излучать свет. Другая молекула, называемая коферментом А, помогает процессу, удаляя побочный продукт реакции, который может ингибировать активность люциферазы.
Команда Массачусетского технологического института упаковала каждый из этих трех компонентов в другой тип носителя наночастиц. Наночастицы, изготовленные из материалов, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует как «в целом считающиеся безопасными», 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 немного более крупные частицы полимеров PLGA и хитозана для переноса люциферина и кофермента А соответственно. Чтобы поместить частицы 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, высвобождающие люциферин и кофермент А, предназначены для накопления во внеклеточном пространстве мезофилла, внутреннего слоя листа, в то время как более мелкие частицы, несущие люциферазу, попадают в клетки, составляющие мезофилл. Частицы PLGA постепенно высвобождают люциферин, который затем проникает в растительные клетки, где люцифераза выполняет химическую реакцию, заставляющую люциферин светиться.
Ранние усилия исследователей в начале проекта привели к тому, что растения могли светиться около 45 минут, а с тех пор они улучшили это время до 3,5 часов. Свет, генерируемый одним 10-сантиметровым саженцем 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 за счет дальнейшей оптимизации концентрации и высвобождения. ставки компонентов.
Трансформация растений
Предыдущие попытки создать светоизлучающие растения основывались на генетически модифицированных растениях для экспрессии гена люциферазы, но это трудоемкий процесс, который дает чрезвычайно 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. До сих пор они продемонстрировали это с рукколой, капустой и шпинатом, в дополнение к кресс-салату.
Для будущих версий этой технологии исследователи надеются разработать способ нанесения наночастиц на листья растений или распыления их на листья растений, что позволит превращать деревья и другие крупные растения в источники света.
«Наша цель - провести одну обработку, когда растение является рассадой или зрелым растением, и сделать так, чтобы она продолжалась в течение всего срока службы растения», - говорит Страно. «Наша работа очень серьезно открывает двери для уличных фонарей, которые представляют собой не что иное, как обработанные деревья, и для непрямого освещения вокруг домов».
Исследователи также продемонстрировали, что они могут выключать свет, добавляя наночастицы, несущие ингибитор люциферазы. Исследователи говорят, что это может позволить им в конечном итоге создать растения, которые отключают излучение света в ответ на условия окружающей среды, такие как солнечный свет.
Исследование финансировалось Министерством энергетики США.