Представьте, что вместо того, чтобы включать лампу, когда темнеет, вы можете читать при свете растения на вашем столе. Инженеры Массачусетского технологического института сделали шаг к тому, чтобы сделать это реальностью. Вставив специализированные наночастицы в листья жерухи обыкновенной, они заставили растение излучать тусклый свет почти четыре часа. Ученые считают, что с дальнейшей оптимизацией такие растения станут достаточно яркими, чтобы освещать рабочие пространства.
«Наша идея — создать растение, которое будет работать как настольная лампа, лампа, которую не нужно включать в розетку. Свет будет питать энергия обмена веществ самого растения», — говорит Майкл Страно из Массачусетского технологического института (США).
Технологию можно использовать, чтобы обеспечить низкоинтенсивное внутреннее освещение или превратить деревья в уличные огни на автономном питании, говорят исследователи.
Нанобионика растений — новая область исследований, пионером которой стала лаборатория Страно. Ее цель — наделять растения инновационными характеристиками, встраивая в них различные типы микрочастиц. Цель ученых — запрограммировать растения, чтобы они выполняли функции, которые выполняют сейчас электроприборы. Исследователи уже разработали растения, которые могут обнаруживать взрывчатое вещество и сообщать эту информацию на смартфон, а также растения, которые могут мониторить засуху.
Освещение, на счет которого приходится почти 20 % мирового потребления энергии, кажется логичной следующей целью. «Растения могут самовосстанавливаться, у них есть своя собственная энергия? и они уже адаптировались ко внешней среде, — говорит Страно. — Мы думаем, что это идея, чье время пришло. Это идеальная задача для нанобионики растений».
Чтобы создать светящиеся растения, команда использовала люциферазу, фермент, который позволяет светиться светлячкам. Люцифераза действует на молекулу под названием люциферин, заставляя ее излучать свет. Другая молекула под названием кофермент А помогает процессу и удаляет субпродукт реакции, который сдерживает активность люциферазы.
Команда ученых упаковала каждый из этих трех компонентов в разный тип наночастиц-носителей. Наночастицы, которые состоят из материалов, которые Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США классифицирует как «в целом безопасные», помогает каждому компоненту дойти до нужной части растения. Они также не дают компонентам достигнуть концентрации, токсичной для растений.
Исследователи использовали кремниевые наночастицы примерно 10 нанометров в диаметре, чтобы переносить люциферазу, и немного более крупные по размеру частицы полимеров полилактид-ко-гликолида и хитозана, чтобы переносить люциферин и кофермент А соответственно. Чтобы эти частицы попали в листья растения, исследователи сначала погрузили частицы в раствор, а после подвергли высокому давлению, что позволило частицам войти в листья через крошечные поры под названием стоматы.
Частицы, выделяющие люциферин и коэнзим А, были разработаны так, чтобы они скапливались во внеклеточном пространстве паренхиме, внутреннем слое листа. Мелкие частицы, переносящие люциферазу, входят в клетки, которые составляют паренхиму. Частицы полилактид-ко-гликолида постепенно выделяют люциферин, который потом входит в клетки растения, где люцифераза выполняет химическую реакцию, заставляющую люциферин светиться.
Первые попытки исследователей в начале проекта позволили получить растения, которые светились около 45 минут. Позже им удалось заставить растения светиться 3,5 часа.
Свет, который произвела десятисантиметровый жеруха обыкновенная, — только одна тысячная из объема, который нужен для чтения.
Метод, разработанный лабораторией Стано, может быть использован для любого типа растения. Пока они продемонстрировали его на рукколе, кудрявой капусте и шпинате, помимо жерухи обыкновенной.
Для будущих версий технологии исследователи надеются разработать способ красить или опрыскивать наночастицы на листья растений, что сделает возможным трансформирование деревьев и других крупных растений в источники света.
Исследователи также продемонстрировали, что могут выключить свет, добавив наночастицы, переносящие замедлитель люциферазы. Это позволит создать растения, которые прекращают излучать свет, реагируя на условия окружающей среды, например, солнечный свет.