Gli spinaci non sono più solo un superalimento:incorporando foglie con nanotubi di carbonio, Gli ingegneri del MIT hanno trasformato piante di spinaci in sensori in grado di rilevare esplosivi e trasmettere in modalità wireless tali informazioni a un dispositivo portatile simile a uno smartphone.
Questa è una delle prime dimostrazioni di ingegneria dei sistemi elettronici negli impianti, un approccio che i ricercatori chiamano "nanobionica vegetale".
"L'obiettivo della nanobionica vegetale è introdurre nanoparticelle nella pianta per conferirle funzioni non native, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT e il leader del gruppo di ricerca.
In questo caso, gli impianti sono stati progettati per rilevare composti chimici noti come nitroaromatici, che sono spesso utilizzati in mine antiuomo e altri esplosivi. Quando una di queste sostanze chimiche è presente nelle acque sotterranee campionate naturalmente dalla pianta, i nanotubi di carbonio incorporati nelle foglie delle piante emettono un segnale fluorescente che può essere letto con una telecamera a infrarossi. La fotocamera può essere collegata a un piccolo computer simile a uno smartphone, che poi invia un'e-mail all'utente.
"Questa è una nuova dimostrazione di come abbiamo superato la barriera di comunicazione pianta/uomo, "dice Strano, che crede che l'energia degli impianti potrebbe anche essere sfruttata per avvertire di inquinanti e condizioni ambientali come la siccità.
Strano è l'autore senior di un articolo che descrive le piante nanobioniche nel numero del 31 ottobre di Materiali della natura . L'autore principale del documento è Min Hao Wong, uno studente laureato del MIT che ha avviato una società chiamata Plantea per sviluppare ulteriormente questa tecnologia.
Monitoraggio ambientale
Due anni fa, nella prima dimostrazione di nanobionica vegetale, Strano e l'ex postdoc del MIT Juan Pablo Giraldo hanno utilizzato le nanoparticelle per migliorare la capacità di fotosintesi delle piante e per trasformarle in sensori per l'ossido nitrico, un inquinante prodotto dalla combustione.
Le piante sono ideali per il monitoraggio dell'ambiente perché raccolgono già molte informazioni dall'ambiente circostante, Strano dice.
"Le piante sono ottimi chimici analitici, " dice. "Hanno una vasta rete di radici nel terreno, campionano costantemente le acque sotterranee, e avere un modo per autoalimentare il trasporto di quell'acqua fino alle foglie."
Il laboratorio di Strano ha precedentemente sviluppato nanotubi di carbonio che possono essere utilizzati come sensori per rilevare un'ampia gamma di molecole, 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.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno incorporato sensori per composti nitroaromatici nelle foglie delle piante di spinaci. Utilizzando una tecnica chiamata infusione vascolare, che comporta l'applicazione di una soluzione di nanoparticelle alla parte inferiore della foglia, hanno posizionato i sensori in uno strato fogliare noto come mesofillo, che è dove avviene la maggior parte della fotosintesi.
Hanno anche incorporato nanotubi di carbonio che emettono un segnale fluorescente costante che funge da riferimento. Ciò consente ai ricercatori di confrontare i due segnali fluorescenti, rendendo più facile determinare se il sensore esplosivo ha rilevato qualcosa. Se ci sono molecole esplosive nelle acque sotterranee, ci vogliono circa 10 minuti perché la pianta li attiri nelle foglie, dove incontrano il rilevatore.
Per leggere il segnale, i ricercatori puntano un laser sulla foglia, spingendo i nanotubi nella foglia a emettere luce fluorescente nel vicino infrarosso. Questo può essere rilevato con una piccola telecamera a infrarossi collegata a un Raspberry Pi, un computer da 35 dollari delle dimensioni di una carta di credito simile al computer all'interno di uno smartphone. Il segnale potrebbe essere rilevato anche con uno smartphone rimuovendo il filtro a infrarossi che hanno la maggior parte dei telefoni con fotocamera, dicono i ricercatori.
"Questa configurazione potrebbe essere sostituita da un telefono cellulare e dal giusto tipo di fotocamera, " Dice Strano. "È solo il filtro a infrarossi che ti impedirebbe di usare il cellulare."
Usando questa configurazione, i ricercatori possono captare un segnale da circa 1 metro di distanza dalla pianta, e ora stanno lavorando per aumentare quella distanza.
"Una ricchezza di informazioni"
Nello studio sulla nanobionica vegetale del 2014, Il laboratorio di Strano ha lavorato con una comune pianta da laboratorio nota come Arabidopsis thaliana. Però, i ricercatori volevano utilizzare piante di spinaci comuni per l'ultimo studio, per dimostrare la versatilità di questa tecnica. "Puoi applicare queste tecniche con qualsiasi pianta vivente, "dice Strano.
Finora, i ricercatori hanno anche progettato piante di spinaci in grado di rilevare la dopamina, che influenza la crescita delle radici delle piante, e ora stanno lavorando su sensori aggiuntivi, compresi alcuni che tracciano le sostanze chimiche utilizzate dalle piante per trasmettere informazioni all'interno dei propri tessuti.
"Le piante sono molto rispettose dell'ambiente, " Dice Strano. "Sanno che ci sarà una siccità molto prima di noi. Possono rilevare piccoli cambiamenti nelle proprietà del suolo e del potenziale idrico. Se attingiamo a quelle vie di segnalazione chimica, c'è una ricchezza di informazioni a cui accedere."
Questi sensori potrebbero anche aiutare i botanici a saperne di più sul funzionamento interno delle piante, monitorare la salute delle piante, e massimizzare la resa di composti rari sintetizzati da piante come la pervinca del Madagascar, che produce farmaci usati per curare il cancro.
"Questi sensori forniscono informazioni in tempo reale dall'impianto. È quasi come se l'impianto ci parlasse dell'ambiente in cui si trova, " Dice Wong. "Nel caso dell'agricoltura di precisione, disporre di tali informazioni può influire direttamente sulla resa e sui margini".
