Los nanomateriales pueden habilitar plantas con funciones nuevas y aumentadas. Esta planta de Arabidopsis con nanotubos de carbono dentro de sus hojas ha aumentado la captura de energía luminosa y podría actuar como un detector bioquímico fotónico. Crédito:Juan Pablo Giraldo
Las plantas tienen muchas funciones valiosas:proporcionan alimento y combustible, liberamos el oxigeno que respiramos, y agregar belleza a nuestro entorno. Ahora, Un equipo de investigadores del MIT quiere hacer que las plantas sean aún más útiles al aumentarlas con nanomateriales que podrían mejorar su producción de energía y darles funciones completamente nuevas. como el monitoreo de contaminantes ambientales.
En un nuevo Materiales de la naturaleza papel, los investigadores informan que aumenta la capacidad de las plantas para capturar energía luminosa en un 30 por ciento al incrustar nanotubos de carbono en el cloroplasto, el orgánulo de la planta donde tiene lugar la fotosíntesis. Usando otro tipo de nanotubos de carbono, también modificaron plantas para detectar el gas óxido nítrico.
Juntos, estos representan los primeros pasos en el lanzamiento de un campo científico que los investigadores han denominado "nanobiónica vegetal".
"Las plantas son muy atractivas como plataforma tecnológica, "dice Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química y líder del equipo de investigación del MIT. "Se reparan a sí mismos, son ambientalmente estables en el exterior, sobreviven en entornos hostiles, y proporcionan su propia fuente de energía y distribución de agua ".
Strano y el autor principal del artículo, posdoctorado y biólogo vegetal Juan Pablo Giraldo, imagina convertir plantas en autoamplificadas, dispositivos fotónicos como detectores de explosivos o armas químicas. Los investigadores también están trabajando en la incorporación de dispositivos electrónicos en plantas. "El potencial es realmente infinito, "Dice Strano.
Fotosíntesis sobrealimentada
La idea de las plantas nanobiónicas surgió de un proyecto en el laboratorio de Strano para construir células solares autorreparables basadas en células vegetales. Como siguiente paso, los investigadores querían intentar mejorar la función fotosintética de los cloroplastos aislados de plantas, para posible uso en células solares.
Los cloroplastos albergan toda la maquinaria necesaria para la fotosíntesis, que ocurre en dos etapas. Durante la primera etapa, los pigmentos como la clorofila absorben la luz, que excita los electrones que fluyen a través de las membranas tilacoides del cloroplasto. La planta captura esta energía eléctrica y la utiliza para impulsar la segunda etapa de la fotosíntesis:la construcción de azúcares.
La fluorescencia del infrarrojo cercano de los nanotubos de carbono (naranja) infiltrados en el interior de las hojas (verde) podría impulsar la fotosíntesis y permitir la detección de sustancias bioquímicas y contaminantes. Crédito:Juan Pablo Giraldo y Nicole M. Iverson
Los cloroplastos aún pueden realizar estas reacciones cuando se eliminan de las plantas, pero al cabo de unas horas, comienzan a descomponerse porque la luz y el oxígeno dañan las proteínas fotosintéticas. Por lo general, las plantas pueden reparar completamente este tipo de daño, pero los cloroplastos extraídos no pueden hacerlo por sí solos.
Para prolongar la productividad de los cloroplastos, los investigadores los incorporaron con nanopartículas de óxido de cerio, también conocido como nanoceria. Estas partículas son antioxidantes muy fuertes que eliminan los radicales de oxígeno y otras moléculas altamente reactivas producidas por la luz y el oxígeno. protegiendo los cloroplastos del daño.
Los investigadores administraron nanoceria en los cloroplastos utilizando una nueva técnica que desarrollaron llamada penetración de la envoltura de intercambio de lípidos. o LEEP. Envolviendo las partículas en ácido poliacrílico, una molécula muy cargada, permite que las partículas penetren en la grasa, membranas hidrofóbicas que rodean a los cloroplastos. En estos cloroplastos, los niveles de moléculas dañinas se redujeron drásticamente.
Usando la misma técnica de entrega, los investigadores también incorporaron nanotubos de carbono semiconductores, recubierto de ADN cargado negativamente, en los cloroplastos. Las plantas suelen utilizar solo alrededor del 10 por ciento de la luz solar disponible para ellas, pero los nanotubos de carbono podrían actuar como antenas artificiales que permitan a los cloroplastos capturar longitudes de onda de luz que no se encuentran en su rango normal, como ultravioleta, verde, e infrarrojo cercano.
Con nanotubos de carbono que parecen actuar como un "fotoabsorbente protésico, "La actividad fotosintética, medida por la tasa de flujo de electrones a través de las membranas tilacoides, fue un 49 por ciento mayor que la de los cloroplastos aislados sin nanotubos incrustados. Cuando la nanoceria y los nanotubos de carbono se administraron juntos, los cloroplastos permanecieron activos durante algunas horas más.
Luego, los investigadores recurrieron a plantas vivas y utilizaron una técnica llamada infusión vascular para administrar nanopartículas en Arabidopsis thaliana , una pequeña planta con flores. Usando este método, los investigadores aplicaron una solución de nanopartículas en la parte inferior de la hoja, donde penetró poros diminutos conocidos como estomas, que normalmente permiten la entrada de dióxido de carbono y la salida de oxígeno. En estas plantas, los nanotubos se movieron hacia el cloroplasto y aumentaron el flujo de electrones fotosintéticos en aproximadamente un 30 por ciento.
Aún queda por descubrir cómo ese flujo adicional de electrones influye en la producción de azúcar de las plantas. "Esta es una pregunta que todavía estamos tratando de responder en el laboratorio:¿Cuál es el impacto de las nanopartículas en la producción de combustibles químicos como la glucosa?" Dice Giraldo.
Obtención de imágenes de la fluorescencia de nanotubos de carbono dentro de las hojas de una planta de Arabidopsis utilizando un microscopio de infrarrojo cercano de una sola partícula. Crédito:Bryce Vickmark
Máquinas ecológicas esbeltas
Los investigadores también demostraron que podían convertir Arabidopsis thaliana plantas en sensores químicos mediante la entrega de nanotubos de carbono que detectan el gas óxido nítrico, un contaminante ambiental producido por combustión.
El laboratorio de Strano ha desarrollado previamente sensores de nanotubos de carbono para muchos productos químicos diferentes, incluido el peróxido de hidrógeno, el explosivo TNT, y el gas nervioso sarín. Cuando la molécula objetivo se une a un polímero envuelto alrededor del nanotubo, altera la fluorescencia del tubo.
"Algún día podríamos usar estos nanotubos de carbono para hacer sensores que detecten en tiempo real, a nivel de una sola partícula, radicales libres o moléculas de señalización que tienen una concentración muy baja y son difíciles de detectar, "Dice Giraldo.
Adaptando los sensores a diferentes objetivos, los investigadores esperan desarrollar plantas que puedan usarse para monitorear la contaminación ambiental, pesticidas, infecciones por hongos, o exposición a toxinas bacterianas. También están trabajando en la incorporación de nanomateriales electrónicos, como el grafeno, en plantas.
"Ahora, casi nadie trabaja en este campo emergente, "Es una oportunidad para que las personas de la biología vegetal y la comunidad de nanotecnología de ingeniería química trabajen juntas en un área que tiene un gran potencial", dice Giraldo.
