Писатели-фантасты уже давно представляют себе гибриды человека и машины, обладающие экстраординарными способностями. Однако «суперрастения» с интегрированными наноматериалами могут быть гораздо ближе к реальности, чем киборги. Сегодня ученые сообщают о разработке растений, которые могут производить наноматериалы, называемые металлоорганическими каркасами (MOF), и о применении MOF в качестве покрытий для растений. Усовершенствованные растения потенциально могли бы выполнять новые полезные функции, такие как обнаружение химических веществ или более эффективный сбор света.
Исследователи представят свои результаты сегодня на Весенней национальной встрече и выставке Американского химического общества (ACS) 2019 года.
По словам ведущего исследователя проекта Джозефа Ричардсона, доктора философии, люди внедряли в растения чужеродные материалы на протяжении тысячелетий. «Один из примеров - окрашивание цветов», - говорит он. «Вы погружаете срезанный стебель цветка в краску, и краска проходит через стебель и проникает в цветочные лепестки, и тогда вы видите эти прекрасные цвета».
Из-за своей обширной сосудистой сети растения легко поглощают воду и молекулы, растворенные в жидкостях. Однако более крупным материалам и наночастицам, таким как MOF, труднее проникнуть в корни. Поэтому Ричардсон и его коллеги из Мельбурнского университета (Австралия) задались вопросом, могут ли они кормить растения предшественниками МОК, которые растения будут поглощать, а затем превращать в готовые наноматериалы.
MOF, состоящие из ионов металлов или кластеров, связанных с органическими молекулами, образуют высокопористые кристаллы, которые могут впитывать, хранить и выделять другие молекулы, подобно губке. На сегодняшний день химики создали тысячи различных MOF с потенциальными областями применения, начиная от хранения водородного топлива и заканчивая поглощением парниковых газов и доставкой лекарств в организм. Наличие у растений небольшого количества этих полезных соединений в их собственных тканях может дать им новые способности, невиданные в природе.
Чтобы узнать, могут ли растения образовывать MOF, Ричардсон и его коллеги добавили в воду соли металлов и органические линкеры, а затем поместили в раствор черенки или целые растения. Растения перенесли предшественники в свои ткани, где выросли два разных типа флуоресцентных кристаллов MOF. В эксперименте по проверке концепции в обрезках растений лотоса, производящих MOF, были обнаружены небольшие концентрации ацетона в воде, о чем свидетельствует снижение флуоресценции материалов. Основываясь на этих результатах, Ричардсон планирует изучить, могут ли гибриды растений и MOF обнаруживать взрывчатые вещества или другие летучие химические вещества, которые могут быть полезны для обеспечения безопасности в аэропортах.
В дополнение к тому, что растения производят MOF, готовые материалы можно использовать в качестве покрытия на растениях, чтобы помочь им преобразовывать вредные ультрафиолетовые (УФ) лучи в свет, более полезный для фотосинтеза.«Поскольку мы думаем о выращивании сельскохозяйственных культур в космосе или на Марсе, где у вас нет атмосферы и вы подвергаетесь бомбардировке ультрафиолетовыми лучами, что-то вроде этого может быть полезным», - говорит Ричардсон. «Это потому, что он не только защищает растения от ультрафиолетовых лучей, но и превращает их в полезную энергию. Особенно по мере того, как вы удаляетесь от солнца, становится все труднее улавливать весь свет, необходимый для фотосинтеза».
Исследователи уже приступили к изучению защитных свойств наноматериалов, и предварительные данные обнадеживают. Команда покрыла обрезки хризантем и лилии люминесцентными MOF, а затем подвергла растения воздействию УФ-излучения на три часа. По сравнению с черенками без покрытия, растения с MOF показали меньшее увядание и обесцвечивание.
Теперь Ричардсон объединяется с биологами растений для изучения влияния MOF на рост растений. Пока они не заметили какой-либо токсичности наноматериалов. Исследователи также хотят изучить, действительно ли MOF могут помочь растениям лучше расти, что может привести к их применению в сельском хозяйстве.