Шпинат больше не просто суперпродукт: внедряя в листья углеродные нанотрубки, инженеры Массачусетского технологического института превратили растения шпината в датчики, которые могут обнаруживать взрывчатые вещества и передавать эту информацию по беспроводной связи на портативное устройство, похожее на смартфон.
Это одна из первых демонстраций внедрения электронных систем в растения, подход, который исследователи называют «растительной нанобионикой».
«Цель нанобионики растений состоит в том, чтобы ввести наночастицы в растения, чтобы придать им неродные функции», - говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте и руководитель исследовательской группы.
В данном случае установки были разработаны для обнаружения химических соединений, известных как нитроароматические соединения, которые часто используются в наземных минах и других взрывчатых веществах. Когда одно из этих химических веществ присутствует в грунтовых водах, отобранных растением естественным образом, углеродные нанотрубки, встроенные в листья растений, испускают флуоресцентный сигнал, который можно считывать с помощью инфракрасной камеры. Камеру можно подключить к небольшому компьютеру, похожему на смартфон, который затем отправляет пользователю электронное письмо.
«Это новая демонстрация того, как мы преодолели коммуникационный барьер между растением и человеком», - говорит Страно, который считает, что энергию растений можно также использовать для предупреждения о загрязняющих веществах и условиях окружающей среды, таких как засуха.
Страно является старшим автором статьи с описанием нанобионических растений в выпуске Nature Materials от 31 октября. Ведущим автором статьи является Мин Хао Вонг, аспирант Массачусетского технологического института, который основал компанию Plantea для дальнейшего развития этой технологии.
Экологический мониторинг
Два года назад, во время первой демонстрации нанобионики для растений, Страно и бывший постдоктор Массачусетского технологического института Хуан Пабло Хиральдо использовали наночастицы для повышения способности растений к фотосинтезу и превращения их в датчики оксида азота, загрязняющего вещества, образующегося при сжигании.
Растения идеально подходят для наблюдения за окружающей средой, потому что они уже получают много информации из своего окружения, говорит Страно.
«Растения - очень хорошие химики-аналитики, - говорит он. «Они имеют разветвленную корневую сеть в почве, постоянно берут пробы грунтовых вод и умеют самостоятельно транспортировать эту воду в листья».
Лаборатория Страно ранее разработала углеродные нанотрубки, которые можно использовать в качестве датчиков для обнаружения широкого спектра молекул, включая перекись водорода, взрывоопасный тротил и нервно-паралитический газ зарин. Когда молекула-мишень связывается с полимером, обернутым вокруг нанотрубки, она изменяет флуоресценцию трубки.
В новом исследовании исследователи встроили датчики нитроароматических соединений в листья растений шпината. Используя технику, называемую инфузией сосудов, которая включает нанесение раствора наночастиц на нижнюю сторону листа, они поместили датчики в слой листа, известный как мезофилл, где происходит большая часть фотосинтеза.
Они также встроили углеродные нанотрубки, которые испускают постоянный флуоресцентный сигнал, который служит эталоном. Это позволяет исследователям сравнивать два флуоресцентных сигнала, облегчая определение того, обнаружил ли что-нибудь датчик взрывчатых веществ. Если в грунтовых водах есть взрывоопасные молекулы, растению требуется около 10 минут, чтобы втянуть их в листья, где они сталкиваются с детектором.
Чтобы прочитать сигнал, исследователи освещают лист лазером, побуждая нанотрубки в листе излучать флуоресцентный свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Это можно обнаружить с помощью небольшой инфракрасной камеры, подключенной к Raspberry Pi, компьютеру размером с кредитную карту за 35 долларов, подобному компьютеру внутри смартфона. Исследователи говорят, что сигнал также можно обнаружить с помощью смартфона, удалив инфракрасный фильтр, который есть в большинстве телефонов с камерами..
«Эту установку можно заменить мобильным телефоном и подходящей камерой, - говорит Страно. «Это всего лишь инфракрасный фильтр, который помешает вам пользоваться мобильным телефоном».
Используя эту установку, исследователи могут улавливать сигнал на расстоянии около 1 метра от растения, и сейчас они работают над увеличением этого расстояния.
Много информации
В исследовании нанобионики растений 2014 года лаборатория Страно работала с обычным лабораторным растением, известным как Arabidopsis thaliana. Тем не менее, исследователи хотели использовать обычные растения шпината для последнего исследования, чтобы продемонстрировать универсальность этого метода. «Вы можете применить эти методы к любому живому растению», - говорит Страно.
К настоящему моменту исследователи также создали растения шпината, которые могут обнаруживать дофамин, влияющий на рост корней растений, и сейчас они работают над дополнительными датчиками, в том числе датчиками, которые отслеживают химические вещества, которые растения используют для передачи информации в собственные ткани..
«Растения очень чувствительны к окружающей среде, - говорит Страно. «Они знают, что будет засуха задолго до нас. Они могут обнаружить небольшие изменения в свойствах почвы и водного потенциала. Если мы подключимся к этим химическим сигнальным путям, мы получим доступ к огромному количеству информации».
Эти датчики могут также помочь ботаникам узнать больше о внутренней работе растений, следить за здоровьем растений и максимизировать выход редких соединений, синтезируемых растениями, такими как мадагаскарский барвинок, который производит лекарства, используемые для лечения рака.
«Эти датчики передают информацию с завода в режиме реального времени. Это почти как если бы растение говорило с нами об окружающей среде, в которой оно находится», - говорит Вонг. «В случае точного земледелия наличие такой информации может напрямую повлиять на урожайность и прибыль».