Νανοβιονικά φυτά επιτυγχάνουν αυξημένη φωτοσύνθεση, “οσμίζονται” ρύπους – MIT

Βιονικά φυτά με 30% υψηλότερη ικανότητα απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίαςαναπτύσσουν αμερικανοί χημικοί και βιολόγοι με επικεφαλής τον καθηγητή χημικής μηχανικής Μάικλ Στράνο του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασσαχουσσέτης (MIT).

Η ενίσχυση των φυτών έγινε με μια τεχνολογίαεισαγωγής νανοσωλήνων άνθρακα στουςχλωροπλάστες, τα μικροσκοπικά όργανα εντός των φυτικών κυττάρων που εκτελούν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Τα φυτά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν φύλλα σπανακιού και κάρδαμο.

Επιπλέον, με την ενσωμάτωση νανοσωματιδίων από οξείδια του δημητρίου τα φυτά αποκτούν την ικανότητα της ανίχνευσης αέριων ρύπων όπως το οξείδιου του αζώτου που εκλύεται από τις εξατμίσεις των αυτοκινήτων.

—Οι νανοσωλήνες στα φυτά

Τα νανοσωματίδια που ενσωματώθηκαν στα φυτά είναι από οξείδιο του δημητρίου (λέγονται και νανοδημήτρια). Πρόκειται για ένα υλικό με ισχυρές αντιοξειδωτικές ιδιότητες  που προστατεύει τους χλωροπλάστες από τις βλάβες που προκαλούν οι ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, αυξάνοντας έτσι την ενεργειακή τους αποδοτικότητα.

Αναλυτικότερα, τα φυτά, υπό κανονικές συνθήκες, αξιοποιούν περίπου μόνο το 10% του φωτός που απορροφούν. Η ενσωμάτωση των ημιαγώγιμων νανοσωλήνων στους χλωροπλάστες επιτρέπει στα φυτά να απορροφούν ηλιακή ακτινοβολία διαφορετικών συχνοτήτων, όπως η υπεριώδης και η εγγύς του υπερύθρου.

Η εισαγωγή των νανοσωματιδίων έγινε με δύο τεχνικές. Η πρώτη ονομάζεται “αγγειακή έγχυση” και βασίζεται στην έγχυση με πίεση ενός διαλύματος νανοσωματιδίων στο φυτό μέσω των πόρων του, απ’ όπου εξατμίζεται το νερό.

Με τη δεύτερη μέθοδο που ονομάστηκε διείσδυση με ανταλλαγή λιπιδίων (Lipid Exchange Envelope Penetration-LEEP) τα νανοσωματίδια έχουν καλυφθεί με κάποια υψηλά φορτισμένη επίστρωση από πολυμερές που βοηθά την απορρόφηση τους από τις μεμβράνες του χλωροπλάστη και την ενσωμάτωσή τους στα όργανα αυτά.

Αποτέλεσμα από την προσθήκη νανοσωματιδίων και νανοσωλήνων ήταν η φωτοσυνθετική δραστηριότητα να αυξηθεί έως 50% σε σύγκριση με την κανονική.

—Οι εφαρμογές της τεχνολογίας

Η βελτίωση της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτών μπορεί να συντελέσει στην αύξηση της παραγωγής τροφίμων και βιοκαυσίμων.

Επίσης, τα φυτά θα μπορούν να απελευθερώνουν περισσότερο οξυγόνο στον περιβάλλοντα ανοικτό ή κλειστό χώρο. Τέλος θα θα μπορούν να δρουν σε πραγματικό χρόνο ως περιβαλλοντικά «ραντάρ» στον αέρα και στο έδαφος, ως βιοχημικοί ανιχνευτές επικίνδυνων χημικών αερίων (όπως το σαρίν) ή εκρηκτικών ουσιών όπως η τρινιτροτολουόλη (ΤΝΤ), καθώς και βιολογικών τοξινών (βακτηρίων, μυκήτων κ.α.).

Επίσης, τα φυτά προϊόντα βιομηχανικής ανοίγουν το δρόμο για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας υβριδικών-βιονικών υλικών που θα που θα αναπτύσσονται και θα αποκαθιστούν μόνα τους τις όποιες βλάβες τους, μόνο με τη χρήση του ηλιακού φωτός και θα εφαρμόζονται σε κτήρια ή συσκευές κινητής τηλεφωνίας

Επιπλέον, κάποτε μπορεί τα ίδια τα δέντρα να λειτουργούν ως κεραίες κινητής τηλεφωνίας.

Ήδη οι επιστήμονες επιχειρούν να ενσωματώσουν στα φυτά όχι μόνο νανοσωματίδια, αλλά ολόκληρες μικροσκοπικές ηλεκτρονικές συσκευές και νανο-υλικά όπως το γραφένιο. «Οι δυνατότητες είναι πραγματικά ατελείωτες», δήλωσε ο Μάικλ Στράνο και τόνισε ότι «το απώτερο όραμα είναι η χρήση των φυτών ως μια ευρεία τεχνολογική πλατφόρμα».

Ο Στράνο ξεκίνησε την όλη έρευνα για τα νανοβιονικά φυτά, εμπνεόμενος από μια προηγούμενη μελέτη του για τη δημιουργία αυτο-επιδιορθούμενων φωτοβολταϊκών κυττάρων που θα μιμούνται τα φυτικά κύτταρα,μελέτη που είχαμε  δημοσιεύσει στο econews.gr.

Το επόμενο βήμα ήταν η βελτίωση της φωτοσύνθεσης των χλωροπλαστών, ώστε η σχετική τεχνολογία να αξιοποιηθεί στα φωτοβολταϊκά, ώσπου τελικά προέκυψε η ιδέα να μεταφερθεί η νανοτεχνολογία της βελτίωσης στα ίδια τα φυτά, ώστε να γίνουν βιονικά.

—Οι επιπτώσεις στα φυτά και η παραγωγή βιοκαυσίμων

Προς το παρόν, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμα εάν και σε ποιο βαθμό η αυξημένη φωτοσυνθετική δραστηριότητα επηρεάζει την παραγωγή σακχάρων μέσα στο φυτό.

Η φωτοσύνθεση ολοκληρώνεται σε δύο στάδια: στο πρώτο, η χλωροφύλλη των φυτών απορροφά ηλιακό φως, το οποίο διεγείρει τη ροή των ηλεκτρονίων στις μεμβράνες των χλωροπλαστών. Το φυτό αξιοποιεί αυτή την εσωτερική ηλεκτρική ενέργεια (μαζί με διοξείδιο του άνθρακα και νερό), για να υλοποιήσει το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, την παραγωγή σακχάρων όπως η γλυκόζη. Αυτά τα σάκχαρα μπορούν μετά να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοκαυσίμων ή πολυμερών χημικών.

Οι αντιδράσεις της επιστημονικής κοινότητας διίστανται για την αποτελεσματικότητα της τεχνολογίας: ορισμένοι, όπως ο Τζέημς Κόλινς του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, δήλωσαν εντυπωσιασμένοι, κάνοντας λόγο για «ένα θαυμαστό συνδυασμό νανοτεχνολογίας και συνθετικής βιολογίας, που μπορεί να βελτιώσει τις λειτουργίες των έμβιων οργανισμών».

Άλλοι δείχνουν πιο επιφυλακτικοί, τονίζοντας ότι παραμένει ακόμη μυστήριο με ποιο τρόπο «δουλεύει» η νανοτεχνολογία μέσα στα φυτικά κύτταρα.

Έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό για νέα υλικά Nature Materials.