È stato sviluppato un nuovo processo per incorporare e assemblare spontaneamente nanotubi di carbonio (CNT) e nanoparticelle che eliminano l'ossigeno nei cloroplasti, la parte delle cellule vegetali che conduce la fotosintesi, convertendo la luce in energia. L'incorporazione di CNT ha aumentato il flusso di elettroni associato alla fotosintesi del 49% nei cloroplasti estratti e del 30% nelle foglie delle piante viventi, e l'incorporazione di nanoparticelle di ossido di cerio (nanoceria) nei cloroplasti estratti ha ridotto significativamente le concentrazioni di superossido, un composto tossico per le piante.

I cloroplasti da soli assorbono la luce solo dalla porzione visibile dello spettro solare, consentendo l'accesso solo al 50% circa della radiazione solare incidente, e meno del 10% della piena luce solare satura la capacità dell'apparato fotosintetico. Si ritiene che questo approccio nano-bio aumenti l'ampiezza dello spettro solare utilizzato per produrre energia e dovrebbe contribuire allo sviluppo di materiali biomimetici con una maggiore attività fotosintetica e una migliore stabilità verso la degradazione ossidativa.

È stato sviluppato un nuovo approccio nanobionico che conferisce una maggiore attività fotosintetica alle foglie delle piante e ai cloroplasti delle piante estratti, gli organelli biologici che convertono l'anidride carbonica catturata in energia solare. Mentre i cloroplasti ospitano tutti i macchinari biochimici necessari per la fotosintesi, si sa poco su come ingegnerizzare i cloroplasti estratti dalle piante a lungo termine, sfruttamento stabile dell'energia solare. Ora, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno scoperto che i nanotubi di carbonio a parete singola (CNT) altamente carichi rivestiti di DNA e chitosano (una biomolecola derivata da gamberetti e altri gusci di crostacei) sono in grado di penetrare spontaneamente nei cloroplasti.

Questo nuovo processo di penetrazione dell'involucro a scambio lipidico (LEEP) per incorporare le nanostrutture comporta l'avvolgimento di CNT o nanoparticelle con DNA altamente caricato o molecole polimeriche, permettendo loro di penetrare nel grasso, membrane idrofobiche che circondano i cloroplasti. L'incorporazione di CNT nei cloroplasti estratti dalle piante ha aumentato l'attività fotosintetica del cloroplasto del 49% rispetto al controllo. Quando questi nanocompositi sono stati incorporati nei cloroplasti fogliari delle piante viventi, il flusso di elettroni associato alla fotosintesi è stato potenziato del 30%.

Questi risultati sono coerenti con l'idea che i nanotubi di carbonio semiconduttori sono in grado di espandere la cattura della luce da parte dei materiali vegetali ad altre parti dello spettro solare come il verde, vicino infrarosso e ultravioletto. Un'altra importante limitazione nell'uso dei cloroplasti estratti per applicazioni di energia solare è che si degradano facilmente a causa del danno indotto dalla luce e dall'ossigeno alle proteine ​​fotosintetiche. Quando potenti scavenger di radicali dell'ossigeno come le nanoparticelle di ossido di cerio (nanoceria) sono stati combinati con un polimero altamente caricato (acido poliacrilico) e incorporati nei cloroplasti estratti utilizzando il processo LEEP, il danno ai cloroplasti da superossidi e altre specie reattive dell'ossigeno è stato drasticamente ridotto. Si prevede che questo approccio nanobionico contribuirà allo sviluppo di materiali biomimetici per la raccolta della luce e la conversione dell'energia solare, nonché rilevamento biochimico con proprietà rigenerative e maggiore efficienza.