Skabte nanobioniske lysplanter • Arkady Kuramshin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Bionics, Chemistry

Opret nanobioniske lysende planter

Fig. 1. Bøsninger af fælles kvinde (Nasturtium officinale) 3,5 uger, hvor luminøse nanopartikler blev introduceret, belyste bogen ("The Lost Paradise" af John Milton). Billedet blev taget med en stor eksponering (5 minutter) og høj følsomhed (ISO 3200), og for at få mere lys på siderne i bogen blev der anbragt en reflekterende skærm (et ark papir) bag planten. Billede fra artiklen i diskussionNano bogstaver

Forskere fra Massachusetts Institute of Technology har avanceret til at gøre en fantastisk ide til virkelighed – at skabe en kilde til lys fra planter. Efter at have introduceret i den fælles kvindes blade (Nasturtium officinale) specielt udviklede nanopartikler, de gav planten evnen i næsten fire timer til at gløde et svagt, men mærkbart lys. Det antages, at yderligere optimering af tilgangen vil øge både glødens lysstyrke og dens tid, og i overskuelig fremtid vil plantene kunne gløde ret stærkt.

Gruppen på Massachusetts Institute of Technology, Michael S. Strano, har arbejdet på nanobionisk planteforandring i lang tid. Forskere introducerer forskellige typer nanopartikler i deres celler,at give planter nye ejendomme. For eksempel formåede denne gruppe at øge effektiviteten af ​​fotosyntese i Tal rezuhovidka celler (Arabidopsis thaliana) og chloroplaster ekstraheret fra dem (J.P. Giraldo et al., 2014. Plant nanobionics tilgang til forstærkning af fotosyntese og biokemisk afnemning). Land og kolleger forsøger også at tvinge planterne til at udføre opgaver, der i øjeblikket løses ved hjælp af elektriske apparater. De kunne især lære spinat at bestemme tilstedeværelsen af ​​nitroholdige stoffer i jorden (herunder sprængstoffer) og signalere dette (M.H. Wong et al., 2017. Nitroaromatisk detektion og infrarød kommunikation ved anvendelse af planter af vildtype ved anvendelse af plante nanobionics).

Et andet mål, som forskere har sat for sig selv, er skabelsen af ​​planter, der er i stand til at løse problemet med belysning. For at sikre, at vores hjem, arbejdspladser og gader er lette, forbruges ca. 20% af den samlede elproduktion. Hvis i det mindste noget af belysningen, som f.eks. Gadebelysning, overtages af planter, vil dette medføre betydelige besparelser. Før Strano's arbejde blev kun genetisk modifikation anvendt til forsøg på at skabe lysende planter: enten fireflygenet blev "podet" til planter, som var ansvarlig for produktionen af ​​lysproteinmolekyler af disse insekter (D. W. Ow et al., 1986.Transient og stabil ekspression af Firefly Luciferase-genet i planteceller og transgene planter) eller operonen, der består af seks gener, tillader bakterier at gløde (A. Krichevsky et al., 2010. Autoluminescerende planter). Som et resultat af disse forsøg blev der skabt planter, der kan gløde, men denne glød var meget lavintensiv – kun ca. 107 fotoner pr. minut (til sammenligning, en typisk 100 watt pære "højdepunkter" omkring 1020 fotoner pr. sekund).

Insektens glød opstår på grund af en kemiluminescerende reaktion: enzymet luciferase katalyserer oxidationen af ​​luciferin med oxygen, hvilket resulterer i dannelsen af ​​oxyluciferin og lys. En anden deltager i denne mekanisme, coenzym A-molekylet, interagerer med oxidationsprodukter, der kan reducere (eller endda negere) den katalytiske aktivitet af luciferase-enzymet, der hæmmer deres virkning. Forskere forsøgte også at anvende denne metode, men de skulle levere kemiluminescerende reagenser til planter (luciferase og luciferinplanter) ved hjælp af særlige nanopartikler (figur 2).

Fig. 2. Mekanisme for kemiluminescens af firefly luciferase i nærvær af nanopartikler. I nærværelse af adenosintriphosphat (ATP i diagrammet) er oxygen (O2) og magnesiumioner (Mg2+) firefly luciferase (luc, lyserøde pletter) immobiliseret på siliciumoxid nanopartikler (i diagrammet er nanopartikler afbildet grå sfærer, et aggregat af nanopartikler og luciferase mærket SNP-Luc) katalyserer oxidationen af ​​luciferin (LH2, orange prikker), som frigives fra luciferinbelastede nanopartikler fremstillet af en copolymer af mælke- og glycolsyre (PLGA-LH2). Luciferin er "forseglet" i nanopartikler med polyvinylalkohol (PVA). Som følge af oxidation dannes dehydroluciferyladenylat (L-AMP) – en stærk inhibitor af luciferase. Coenzym A (CoA, blå prikker) frigivet fra chitosan nanopartikler (CS-CoA, gul sfære) bekæmper hæmmende virkning af dehydroluciferyl-adenylat, genopretning af luciferaseaktivitet. Figur fra den diskuterede artikel i Nano bogstaver

Det største problem, der forhindrer planter i at gløde på bekostning af luciferin, er, at det er meget vanskeligt at lokalisere i plantens område, hvor der produceres et antal substrater, der er nødvendige for kemiluminescens, såsom adenosintrifosfat (ATP), forekommer en høj koncentration af luciferin ikke planten selv . Luciferin er farligt for planteceller i koncentrationer over 400 μmol / l,mens en effektiv koncentration af mindst 1000 μmol / l er nødvendig for effektiv kemiluminescens, som gør det muligt at observere gløden med det blotte øje.

De nanopartikler, hvori alle tre reagenser, luciferase, luciferin og coenzym A var bundet, blev anvendt netop til beskyttelse af planterne fra luciferin, hvilket er giftigt for dem. Hver nanopartikel blev udvalgt for hvert reagens, og alle tre typer nanopartikler bestod af stoffer og materialer, der ifølge de amerikanske fødevaresikkerhedsstandarder (FDA) er "for det meste harmløse". Takket være denne tilgang går reagenserne gradvist ind i plantecellerne, frigiver langsomt og reagerer for at tilvejebringe luminescens uden at nå giftige koncentrationer og uden at skade planterne (figur 3).

Fig. 3. Mærkede nanopartikler af siliciumoxid (SNP-AF) og fra en copolymer af mælke- og glycolsyre (PLGA-Bodipy) i blade af almindelig kvinde, arugula og spinat. Billedet opnås ved anvendelse af fluorescerende konfokal mikroskopi. I rødt og blå grøn mærkede cellemembraner og chloroplaster.Billede fra artiklen i diskussion Nano bogstaver

For at overføre luciferase-enzymet anvendte forskere nanopartikler med en diameter på 12 nm fremstillet af siliciumoxid. Til overførsel af luciferin og coenzym A blev sfæriske nanopartikler af større størrelse anvendt – henholdsvis 215 og 125 nm. Nanopartikler til overførsel af coenzym A blev fremstillet af chitosan, et derivat af det naturlige polymerchitin og nanokontainere til luciferin, fra bionedbrydelig copolymer af mælke- og glycolsyre. Så de stoffer, der er involveret i kemiluminescensprocessen, kommer ind i planterne, suspenderes de nanopartikler, der indeholder dem, i vand.

Derefter blev hver plante nedsænket i dette vand, og i en speciel anordning blev tryksatte nanopartikler indført i bladene gennem mundhullerne (figur 4). Det blev fastslået, at stigningen i tryk påvirker effektiviteten af ​​akkumulering af nanopartikler med blade. Således observeres maksimal absorption af nanopartikler ved blade ved trykforøgelse med en hastighed på 0,4 atm / s, hvilket afsluttes om 3 sekunder. Men som undersøgelsen af ​​bladene viste under et mikroskop, er bladets parenchyma beskadiget. Det viste sigat nanopartikler penetrerer bladene mest succesfuldt (uden at skade deres membraner) ved en trykindsprøjtningshastighed på 0,04 atm / s, og en injektionshastighed på 0,02 atm / s er ikke tilstrækkelig til at injicere nanopartikler i bladene.

Fig. 4. Bad til indføring af nanopartikler gennem stomatale sprækker af planter ved forhøjet tryk. Køn af den fælles kvinde er helt nedsænket i vandet, der leveres under tryk. Trykapplikationsretningen er vist. gul pilog blå pile Angiv, at nanopartikler kommer ind i bladene gennem stomatale huller på begge sider af bladene. Figur fra den diskuterede artikel i Nano bogstaver

Partiklerne, der frigiver luciferin og coenzym A, blev udformet således, at de (primært på grund af størrelsen) kan akkumulere i mesophyllens ekstracellulære område – indersiden af ​​bladet, mens mindre partikler, der spiller rollen som luciferasebærere, kan akkumulere i celler, der danner mesofylen (fig. 5). Nanopartikler fra chitosan og glycolsyre og mælkesyrecopolymerer brydes langsomt ned og frigiver gradvist luciferin og coenzym A. Lægemolekylære stoffer går gradvist ind i plantecellerne,luciferase katalyserer luminescensproducerende oxidation af luciferin, coenzym A sikrer enzymets konstante aktivitet, forhindrer dets deaktivering, og plantens blade begynder at gløde.

Fig. 5. Skematisk illustration af nanopartiklernes opførsel i bladene. Nanopartikler indeholdende luciferase, luciferin og coenzym A, træder ind i bladene gennem stomatale huller på begge sider af bladet. Mindre SNP-Luc nanopartikler kan invadere mesophyll og cytosol, mens større PLGA-LH2 og CS-CoA forbliver i mesophyll, frigivelse af luciferin (LH2, orange prikker) og coenzym A (CoA, blå prikker) som hævelse og bionedbrydning af polymer nanopartikler. Det frigivne luciferin og coenzym A indtaster cytosolen, hvor ved en høj koncentration af ATP luciferinoxidationsreaktionen fortsætter, hvoraf en af ​​resultaterne er luminescens. Figur fra den diskuterede artikel i Nano bogstaver

Det blev også påvist, at lysstofplanten kan "afbrydes" ved at tilsætte en luciferaseinhibitor til det vand, hvor spiret står. I fremtiden vil dette tillade ikke kun på det rigtige tidspunkt at slukke lyset fra lysende planter,men skaber også organismer, som kan standse lysende alene som reaktion på ændringer i miljøets tilstand – for eksempel ved at slukke i dagslyset.

De første forsøg fik lov til at opnå planter, der kunne gløde i ca. 45 minutter, hvorefter luciferin blev forbrugt, og gløden stoppede. Under arbejdet med projektet blev glødtiden øget til 3,5 timer. Lyset der skaber en kim af en almindelig 10 cm høj, selv om det er tusindvis af gange mere intens end lys fra GMO-planter (i gennemsnit 3 × 1010 fotoner pr. minut), kan ikke kaldes intens: i dette lys er det umuligt at læse. Den glød, som andre planter studerede som en del af eksperimentet, såsom arugula og spinat, lykkedes at lette, var endnu svagere, men eksperimenter med dem viste, at tilgangen var odrano. For at fastsætte en kvindes glød ved hjælp af et almindeligt kamera (fig. 1) tog det en lang eksponering med høj følsomhed over for lys. Ikke desto mindre er Strano og hans kolleger overbevist om, at yderligere arbejde med nanobioniske planter vil gøre det muligt at øge plantens luminescenstid og lysintensiteten.For at gøre dette er det endnu bedre at optimere frigivelseshastigheden af ​​kemiluminescensreaktionsdeltagere fra nanokontainere.

En anden udviklingsretning af denne teknologi er udviklingen af ​​en proces, der letter penetrationen af ​​nanopartikler i planternes blade. Det er ønskeligt, at du blot kan sprøjte et træ eller en busk med en suspension indeholdende egnede nanokontainere med kemiluminescensreagenser. Men dette er langt fra nær fremtid.

Kilde: Seon-Yeong Kwak, Juan Pablo Giraldo, Min Hao Wong, Volodymyr B. Koman, Tedrick Thomas Salim Lew, Jon Ell, Mark C. Weidman, Rosalie M. Sinclair, Markita P. Landry, William A. Tisdale, Michael S. Strano . En nanobionisk lysemitterende plante // Nano bogstaver. 2017. DOI: 10,1021 / acs.nanolett.7b04369.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: