Immagina che invece di accendere una lampada quando fa buio, potresti leggere alla luce di una pianta incandescente sulla tua scrivania.

Gli ingegneri del MIT hanno compiuto un primo passo fondamentale per trasformare questa visione in realtà. Incorporando nanoparticelle specializzate nelle foglie di una pianta di crescione, hanno indotto le piante a emanare una luce fioca per quasi quattro ore. Credono che, con ulteriore ottimizzazione, tali piante un giorno saranno abbastanza luminose da illuminare uno spazio di lavoro.

"La visione è quella di creare una pianta che funzioni come una lampada da scrivania, una lampada che non è necessario collegare. La luce è in definitiva alimentata dal metabolismo energetico della pianta stessa, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT e l'autore senior dello studio.

Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per fornire illuminazione interna a bassa intensità, o per trasformare alberi in lampioni autoalimentati, dicono i ricercatori.

Il postdoc del MIT Seon-Yeong Kwak è l'autore principale dello studio, che appare sul giornale Nano lettere .

Piante nanobioniche

Nanobionica vegetale, una nuova area di ricerca introdotta dal laboratorio di Strano, mira a conferire alle piante nuove caratteristiche incorporandole con diversi tipi di nanoparticelle. L'obiettivo del gruppo è quello di ingegnerizzare gli impianti per assumere molte delle funzioni oggi svolte dai dispositivi elettrici. I ricercatori hanno precedentemente progettato impianti in grado di rilevare esplosivi e comunicare tali informazioni a uno smartphone, così come piante in grado di monitorare le condizioni di siccità.

Illuminazione, che rappresenta circa il 20% del consumo energetico mondiale, sembrava un logico obiettivo successivo. "Le piante possono autoripararsi, hanno la loro energia, e sono già adattati all'ambiente esterno, " Dice Strano. "Pensiamo che questa sia un'idea il cui momento è giunto. È un problema perfetto per la nanobionica delle piante".

Per creare le loro piante luminose, il team del MIT si è rivolto alla luciferasi, l'enzima che dà alle lucciole il loro splendore. La luciferasi agisce su una molecola chiamata luciferina, facendolo emettere luce. Un'altra molecola chiamata coenzima A aiuta il processo rimuovendo un sottoprodotto di reazione che può inibire l'attività della luciferasi.

Il team del MIT ha confezionato ciascuno di questi tre componenti in un diverso tipo di vettore di nanoparticelle. Le nanoparticelle, che sono tutti realizzati con materiali che la Food and Drug Administration degli Stati Uniti classifica come "generalmente considerati sicuri, " aiutano ogni componente ad arrivare nella parte giusta della pianta. Inoltre impediscono ai componenti di raggiungere concentrazioni che potrebbero essere tossiche per le piante.

I ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle di silice di circa 10 nanometri di diametro per trasportare luciferasi, e hanno usato particelle leggermente più grandi dei polimeri PLGA e chitosano per trasportare luciferina e coenzima A, rispettivamente. Per ottenere le particelle nelle foglie delle piante, i ricercatori hanno prima sospeso le particelle in una soluzione. Le piante sono state immerse nella soluzione e poi esposte ad alta pressione, permettendo alle particelle di entrare nelle foglie attraverso minuscoli pori chiamati stomi.

Le particelle che rilasciano luciferina e coenzima A sono state progettate per accumularsi nello spazio extracellulare del mesofillo, uno strato interno della foglia, mentre le particelle più piccole che trasportano la luciferasi entrano nelle cellule che compongono il mesofillo. Le particelle di PLGA rilasciano gradualmente luciferina, che poi entra nelle cellule vegetali, dove la luciferasi esegue la reazione chimica che fa brillare la luciferina.

I primi sforzi dei ricercatori all'inizio del progetto hanno prodotto piante che potevano brillare per circa 45 minuti, che da allora sono migliorati a 3,5 ore. La luce generata da una piantina di crescione di 10 centimetri è attualmente circa un millesimo della quantità necessaria per leggere, ma i ricercatori credono di poter aumentare la luce emessa, così come la durata della luce, ottimizzando ulteriormente la concentrazione e le velocità di rilascio dei componenti.

Trasformazione vegetale

Gli sforzi precedenti per creare piante che emettono luce si sono affidati a piante di ingegneria genetica per esprimere il gene per la luciferasi, ma questo è un processo laborioso che produce una luce estremamente fioca. Tali studi sono stati condotti su piante di tabacco e Arabidopsis thaliana, comunemente usati per studi di genetica vegetale. Però, il metodo messo a punto dal laboratorio di Strano potrebbe essere utilizzato su qualsiasi tipo di pianta. Finora, lo hanno dimostrato con la rucola, cavolo, e spinaci, oltre al crescione.

Per le versioni future di questa tecnologia, i ricercatori sperano di sviluppare un modo per dipingere o spruzzare le nanoparticelle sulle foglie delle piante, che potrebbe consentire di trasformare alberi e altre grandi piante in sorgenti luminose.

"Il nostro obiettivo è eseguire un trattamento quando la pianta è una piantina o una pianta matura, e farlo durare per tutta la vita della pianta, " Dice Strano. "Il nostro lavoro apre molto seriamente la porta a lampioni che non sono altro che alberi trattati, e all'illuminazione indiretta intorno alle case."

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter spegnere la luce aggiungendo nanoparticelle che trasportano un inibitore della luciferasi. Ciò potrebbe consentire loro di creare eventualmente piante che spengono la loro emissione di luce in risposta a condizioni ambientali come la luce solare, dicono i ricercatori.