In een artikel in Nature Materials beschrijven de onderzoekers hoe ze de opname van lichtenergie door planten met 30% verbeterden door koolstof nanobuisjes te embedden in het chloroplast, waar de fotosynthese plaatsvindt. Met een ander soort koolstof nanobuisjes modificeerden ze planten zo, dat die stikstofoxide konden detecteren. Hiermee zettende wetenschappers de eerste schreden in een  wetenschappelijk gebied dat ze ‘planten-nanobionica’ noemen.

Plant als detector voor explosieven

"Planten zijn een heel aantrekkelijk technologieplatform". zegt Michael Strano, hoogleraar Chemical Engineering en leider van het MIT-onderzoeksteam. "Ze repareren zichzelf, buiten zijn ze stabiel, ze overleven onder moeilijke omgevingsomstandigheden en ze voorzien in hun eigen energiebron en waterdistributie."

Strano en zijn collega-auteur, postdoc en plantenbioloog Juan Pablo Giraldo, zijn van plan om planten om te zetten in zelfvoorzienende fotonische toestellen als detectoren voor explosieven of chemische wapens.  Ze werken ook aan het opnemen van elektronische schakelingen in planten. "Er zijn oneindig veel mogelijkheden", vindt Strano.

Supercharged fotosynthese

Het idee voor nanobionische planten kwam voort uit een project van het lab van Strano om zelfreparerende zonnecellen te bouwen die zijn gemodelleerd naar plantencellen. Als een volgende stap wilden de onderzoekers de fotosynthesefunctie verrijken van chloroplasten die uit de plant waren geïsoleerd. Dat zou dan mogelijkerwijs in zonnecellen kunnen worden gebruikt.

Chloroplasten bevatten de hele machinerie die nodig is voor fotosynthese. Dat gebeurt in twee fases. In de eerste fase absorberen pigmenten, zoals chlorofyl,  het licht, waardoor elektronen worden aangeslagen die vloeien door de celmembranen van het chloroplast. De plant vangt die elektrische energie op en gebruikt hem voor fase 2: het bouwen van suikers.

Chloroplasten kunnen deze reacties nog uitvoeren als ze uit de plant zijn weggehaald, maar na een paar uur beginnen ze af te breken omdat licht en zuurstof de fotosynthese-eiwitten aantasten. Een plant kan dergelijk schade meestal volledig herstellen, maar losse chloroplasten kunnen dat niet zelfstandig.

Beschermen tegen afbraak

Om de productiviteit van de chloroplasten te verlengen hebben de de onderzoekers ze ingebed met ceriumoxide nanodeeltjes – die ook wel bekend zijn als nanoceria. Dit zijn zeer sterke anto-oxidanten die zuurstofradicalen en andere bijzonder reactieve moleculen verzamelen die worden geproduceerd door licht en zuurstof. Ze beschermen daardoor de chloroplasten tegen afbraak.

De onderzoekers brachten de nanoceria in de chloroplasten met een door hen ontwikkelde nieuwe techniek, die ze lipid exchange envelope penetration, of Leep noemen. Door de deeltjes te wikkelen in polyacrylzuur – een sterk geladen molecuul – kunnen ze binnendringen in de vettige hydrofobe membranen rondom de chloroplasten. Daardoor daalt het niveasu schadelijke moleculen aanzienlijk.

Met dezelfde techniek werden in de chloroplasten ook halfgeleidende koolstof nanodeeltjes ingebed, die waren gecoat met negatief geladen DNA. Planten gebruiken gewoonlijk slechts 10% van het beschikbare zonlicht, maar de nanobuisjes kunnen fungeren als antennes die het mogelijk maken om lichtgolflengten op te vangen die buiten hungangbare spectrum vallen, zoals ultraviolet, groen en nabij-infrarood. Hiermee werd de fotosynthese-activiteit – gemeten in de elektronenstroom door de membranen – 49% groter dan in chloroplasten zonder nanobuisjes. Als tegelijkertijd nanoceria en koolstof nanobuisjes werden ingebed, bleven de chloroplasten een paar uur langer actief.

Ook in levende plant

Vervolgens richtten de onderzoekers zich op levende planten. Ze brachten nanodeeltjes aan in de Arabidopsis thaliana, een kleine bloeiende plant. In deze plant leidde dat tot een vergroting van de elektronenstroom met ongeveer 30%.

Wat nog moet worden onerzocht is hoe de extra elektronenstroom de suikerproductie van de plant beïnvloedt. "Dat is een vraag die we nog in het lab proberen te beantwoorden", zegt Giraldo. "Wat is de impact van nanodeeltjes op de productie van chemische brandstoffen als glucose?"

‘Lean green’ machines

De onderzoekers demonstreerden ook dat zij de Arabidopsis thaliana konden veranderen in een chemische sensor, door koolstof nanobuisjes toe te voegen die het milieuvervuilende gas stikstofoxide kunnen detecteren.  

In het lab van Strano zij al eerder sensoren van koolstof nanobuisjes ontikkeld voor veel verschillende chemicaliën, waaronder waterstofperoxide, het explosieve TNT en het zenuwgas Sarin. Als de doelmolecule bindt aan een polymeer die is gewikkeld rond het nanobuisje verandert daardoor de fluorescentie van het buisje.

"We zullen ooit in staat zijn om met deze koolstof nanobuisjes  sensoren te maken die in real time, op het niveau van een enkel deeltje, vrije radicalen of signaalmoleculen kunnen detecteren", verwacht Giraldo.

Door de sensoren geschikt te maken voor verschillende doelstoffen, hopen de onderzoekers planten in te zetten voor het bewaken van milieuverontreiniging, pesticiden, schimmelinfecties of blootstelling aan bacteriële gifstoffen. Ook werken ze verder aan het opnemen van elektronische nanomaterialen, zoals grafeen, in planten.

Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing