Le piante hanno molte funzioni preziose:forniscono cibo e carburante, liberare l'ossigeno che respiriamo, e aggiungi bellezza a ciò che ci circonda. Ora, un team di ricercatori del MIT vuole rendere le piante ancora più utili potenziandole con nanomateriali che potrebbero potenziare la loro produzione di energia e conferire loro funzioni completamente nuove, come il monitoraggio degli inquinanti ambientali.

In un nuovo Materiali della natura carta, i ricercatori riferiscono di aumentare la capacità delle piante di catturare l'energia luminosa del 30% incorporando nanotubi di carbonio nel cloroplasto, l'organello vegetale dove avviene la fotosintesi. Utilizzando un altro tipo di nanotubo di carbonio, hanno anche modificato le piante per rilevare il gas ossido nitrico.

Insieme, questi rappresentano i primi passi nel lancio di un campo scientifico che i ricercatori hanno soprannominato "nanobionica vegetale".

"Le piante sono molto attraenti come piattaforma tecnologica, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering e leader del team di ricerca del MIT. "Si riparano da soli, sono ambientalmente stabili all'esterno, sopravvivono in ambienti difficili, e forniscono la propria fonte di energia e distribuzione dell'acqua."

Strano e l'autore principale del giornale, postdoc e biologo vegetale Juan Pablo Giraldo, immagina di trasformare le piante in autoalimentate, dispositivi fotonici come rilevatori di esplosivi o armi chimiche. I ricercatori stanno anche lavorando per incorporare dispositivi elettronici nelle piante. "Il potenziale è davvero infinito, "dice Strano.

Fotosintesi sovralimentata

L'idea di piante nanobioniche è nata da un progetto nel laboratorio di Strano per costruire celle solari autoriparanti modellate su cellule vegetali. Come passo successivo, i ricercatori volevano provare a migliorare la funzione fotosintetica dei cloroplasti isolati dalle piante, per un possibile utilizzo in celle solari.

I cloroplasti ospitano tutti i macchinari necessari per la fotosintesi, che avviene in due fasi. Durante la prima fase, pigmenti come la clorofilla assorbono la luce, che eccita gli elettroni che fluiscono attraverso le membrane tilacoidi del cloroplasto. La pianta cattura questa energia elettrica e la utilizza per alimentare il secondo stadio della fotosintesi, la costruzione di zuccheri.

I cloroplasti possono ancora eseguire queste reazioni quando vengono rimossi dalle piante, ma dopo poche ore, iniziano a rompersi perché la luce e l'ossigeno danneggiano le proteine ​​fotosintetiche. Di solito le piante possono riparare completamente questo tipo di danno, ma i cloroplasti estratti non possono farlo da soli.

Per prolungare la produttività dei cloroplasti, i ricercatori li hanno incorporati con nanoparticelle di ossido di cerio, noto anche come nanoceria. Queste particelle sono antiossidanti molto potenti che eliminano i radicali dell'ossigeno e altre molecole altamente reattive prodotte dalla luce e dall'ossigeno, proteggendo i cloroplasti dai danni.

I ricercatori hanno introdotto la nanoceria nei cloroplasti utilizzando una nuova tecnica che hanno sviluppato chiamata penetrazione dell'involucro di scambio lipidico, o LEEP. Avvolgendo le particelle in acido poliacrilico, una molecola molto carica, permette alle particelle di penetrare nel grasso, membrane idrofobiche che circondano i cloroplasti. In questi cloroplasti, i livelli di molecole dannose sono diminuiti drasticamente.

Utilizzando la stessa tecnica di consegna, i ricercatori hanno anche incorporato nanotubi di carbonio semiconduttori, rivestito di DNA caricato negativamente, nei cloroplasti. Le piante in genere utilizzano solo il 10% circa della luce solare a loro disposizione, ma i nanotubi di carbonio potrebbero agire come antenne artificiali che consentono ai cloroplasti di catturare lunghezze d'onda della luce non nel loro range normale, come l'ultravioletto, verde, e vicino infrarosso.

Con i nanotubi di carbonio che sembrano agire come "fotoassorbitori protesici, L'attività fotosintetica, misurata dalla velocità del flusso di elettroni attraverso le membrane tilacoidi, era del 49% superiore a quella dei cloroplasti isolati senza nanotubi incorporati. Quando la nanoceria e i nanotubi di carbonio sono stati consegnati insieme, i cloroplasti sono rimasti attivi per qualche ora in più.

I ricercatori si sono quindi rivolti alle piante viventi e hanno utilizzato una tecnica chiamata infusione vascolare per fornire nanoparticelle in Arabidopsis thaliana , una piccola pianta fiorita. Usando questo metodo, i ricercatori hanno applicato una soluzione di nanoparticelle alla parte inferiore della foglia, dove penetrava in minuscoli pori noti come stomi, che normalmente consentono all'anidride carbonica di fluire all'interno e all'ossigeno di defluire. In queste piante, i nanotubi si sono spostati nel cloroplasto e hanno aumentato il flusso di elettroni fotosintetici di circa il 30 percento.

Ancora da scoprire è come quel flusso di elettroni in più influenzi la produzione di zucchero delle piante. "Questa è una domanda a cui stiamo ancora cercando di rispondere in laboratorio:qual è l'impatto delle nanoparticelle sulla produzione di combustibili chimici come il glucosio?" dice Giraldo.

Macchine verdi magre

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter girare Arabidopsis thaliana piante in sensori chimici fornendo nanotubi di carbonio che rilevano il gas ossido nitrico, un inquinante ambientale prodotto dalla combustione.

Il laboratorio di Strano ha precedentemente sviluppato sensori di nanotubi di carbonio per molti prodotti chimici diversi, compreso il perossido di idrogeno, l'esplosivo tritolo, e il gas nervino Sarin. Quando la molecola bersaglio si lega a un polimero avvolto attorno al nanotubo, altera la fluorescenza del tubo.

"Un giorno potremmo usare questi nanotubi di carbonio per creare sensori che rilevano in tempo reale, a livello di singola particella, radicali liberi o molecole segnale che sono a concentrazione molto bassa e difficili da rilevare, " dice Giraldo.

Adattando i sensori a diversi target, i ricercatori sperano di sviluppare piante che potrebbero essere utilizzate per monitorare l'inquinamento ambientale, pesticidi, infezioni fungine, o esposizione a tossine batteriche. Stanno anche lavorando per incorporare nanomateriali elettronici, come il grafene, nelle piante.

"Proprio adesso, quasi nessuno lavora in questo campo emergente, " Dice Giraldo. "È un'opportunità per le persone della biologia vegetale e la comunità delle nanotecnologie di ingegneria chimica di lavorare insieme in un'area che ha un grande potenziale".