Inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology stworzyli roślinę emitującą światło, którą można ładować za pomocą diody LED. Technologia działa dzięki osadzeniu w liściach roślin specjalnych nanocząstek. Po około 10 sekundach ładowania rośliny świecą jasno przez kilka minut. Proces ładowania można powtarzać wielokrotnie.
Badania te są częścią młodej, ale prężnie rozwijającej się dziedziny zwanej roślinną nanobioniką. To dawanie roślinom dodatkowych zdolności i funkcji poprzez przekształcanie ich za pomocą nanomateriałów bez genetycznej modyfikacji rośliny.
To już druga generacja tej technologii. W 2017 roku powstały pierwsze świecące rośliny, ale te nowe mogą wytwarzać światło 10 razy jaśniejsze niż pierwsza generacja. Jeszcze wcześniej, bo w 2014 roku, zespół prof. Michaela Strano z Massachusetts Institute of Technology (MIT) „zmusił” rośliny do przechwytywanie 30 proc. więcej światła niż zazwyczaj. Badaczom udało się też stworzyć roślinę, która mogła być wykorzystywana, jako wykrywacz materiałów wybuchowych.
Opis nowych osiągnięć ukazał się na łamach pisma „Science Advances” (DOI: 10.1126/sciadv.abe9733).
- Chcieliśmy stworzyć roślinę emitującą światło z cząstkami, które będą je pochłaniały, magazynowały jego część i stopniowo je emitowały. To duży krok w kierunku oświetlenia roślinnego – mówi Strano.
- Tworzenie otaczającego światła za pomocą odnawialnej energii chemicznej żywych roślin to odważny pomysł - mówi Sheila Kennedy, współautorka badań z MIT. - To fundamentalna zmiana w sposobie myślenia o żywych roślinach i energii elektrycznej do oświetlenia – dodaje.
Pierwsza generacja świecących roślin powstała przy pomocy pożyczonych od świetlików czy bioluminescencyjnych alg enzymów lucyferazy oraz pigmentów lucyferyny. Te dwa związki w połączeniu powodują emisję światła. Do tych dwóch związków badacze dodali jeszcze koenzym A, którego zadaniem jest usuwanie produktów ubocznych reakcji. Mogą one hamować działanie lucyferazy.
Naukowcy zanurzyli rośliny w zawiesinie z nanocząstkami, a następnie poddali ją ciśnieniu, które wtłoczyło je do wnętrza rośliny poprzez maleńkie otwory na spodniej części liści. Lucyferazę badacze umieścili na 10-nanometrowych cząstkach krzemionki, a lucyferyną i koenzym A na troszkę większych cząstkach kopolimeru PLGA. W ten sposób badacze stworzyli z popularnych roślin jadalnych takich jak rukiew wodna, rukola czy jarmuż, świecące rośliny, które przez kilka godzin mogą emitować słabe światło o mocy około jednej tysięcznej światła potrzebnego do czytania w nocy.
A tak pierwsza generacja świecących roślin prezentuje się na nagraniach z 2017 roku.
W nowym badaniu Strano i jego koledzy chcieli stworzyć rośliny, które mogłyby świecić dłużej i dawać mocniejsze światło. Wpadli na pomysł wykorzystania kondensatora, który jest częścią obwodu elektrycznego i może przechowywać energię elektryczną i uwalniać ją w razie potrzeby. W przypadku świecących roślin kondensator może służyć do przechowywania światła w postaci fotonów, a następnie stopniowo je uwalniać w miarę upływu czasu.
W nowej generacji świecących roślin ich autorzy zrezygnowali z lucyferazy i lucyferyny. Zdecydowali się na użycie materiału zwanego luminoforem. Materiały te mogą pochłaniać światło widzialne lub ultrafioletowe, a następnie powoli uwalniać je jako fosforyzującą poświatę. Jako luminofor naukowcy wykorzystali związek zwany glinianem strontu, który można formować w nanocząstki.
Przed osadzeniem ich w roślinach naukowcy pokryli je krzemionką, która chroni roślinę przed uszkodzeniem. Nanocząstki zostały następnie osadzone w aparatach szparkowych roślin – małych porach na powierzchni liści, które umożliwiają roślinie wymianę gazową. Nanocząstki z luminoforem akumulowały się jako cienka warstwa wewnątrz gąbczastej warstwy tkanki roślinnej zwanej mezofilem.
Tak stworzona roślina może pochłaniać fotony zarówno ze światła słonecznego, jak i diody LED. Naukowcy wykazali, że po 10 sekundach ekspozycji na niebieskie diody LED ich rośliny mogą emitować światło przez około godzinę. Światło było najjaśniejsze przez pierwsze pięć minut, a następnie stopniowo słabło. Rośliny mogą być stale ładowane przez co najmniej dwa tygodnie.
- Musimy mieć intensywne światło, dostarczane jako jeden impuls przez kilka sekund, który może je naładować – mówi Pavlo Gordiichuk, główny autor publikacji. - Pokazaliśmy również, że możemy użyć dużych soczewek, takich jak soczewka Fresnela, aby wzmocnić światło na odległość większą niż jeden metr. To dobry krok w kierunku stworzenia oświetlenia na skalę, z której mogliby korzystać ludzie - dodaje.
- Wizja przyszłości, w której infrastruktura oświetleniowa z żywych roślin stanowi integralną część przestrzeni, w której ludzie pracują i mieszkają, może stać się rzeczywistością – mówi Kennedy. - Gdyby żywe rośliny mogły być punktem wyjścia dla zaawansowanej technologii, mogłyby zastąpić naszą obecną niezrównoważoną miejską sieć oświetlenia elektrycznego z obopólną korzyścią dla wszystkich gatunków zależnych od roślin – w tym ludzi - dodaje.
Według autorów badań, takie podejście można zastosować w wielu różnych gatunkach roślin, w tym w bazylii, rukwi wodnej i tytoniu. Uczeni wykazali, że może sprawdzić się również u rośliny zwanej taro, którą charakteryzują olbrzymie liście. Taki rozmiar może sprawić, że rośliny będą przydatne jako zewnętrzne źródło światła.
Naukowcy zbadali również, czy nanocząstki zakłócają normalne funkcjonowanie roślin. 10 dni po „przemienieniu” rośliny były w stanie normalnie fotosyntetyzować i odparowywać wodę przez aparaty szparkowe. Po zakończeniu eksperymentów naukowcy byli w stanie wyekstrahować około 60 procent luminoforów z roślin i ponownie wykorzystać je w innej roślinie.
Naukowcy z laboratorium Strano pracują obecnie nad połączeniem nowego podejścia z techniką zastosowaną w pierwszej generacji świecących roślin, czyli z wykorzystaniem lucyferazy i lucyferyny. Mają nadzieję, że połączenie tych dwóch metod pozwoli stworzyć rośliny, które będą wytwarzać jeszcze jaśniejsze światło przez dłuższy czas.
Widząc efekty badań naukowców na myśl przychodzi świat bujnych, świecących w ciemności, bioluminescencyjnych dżungli wyobrażony w filmie Avatar. Prace uczonych mogą być wykorzystane do celów praktycznych i estetycznych, w szczególności do tworzenia świecących kwiatów i innych roślin ozdobnych. I chociaż zastąpienie lamp ulicznych świecącymi drzewami to pomysł rodem z najbardziej szalonych produkcji science fiction, to świecąca zieleń może nadać niezwykły wymiar wystroju domów.
Źródło i fot.: Massachusetts Institute of Technology. Na zdjęciu nanocząstki (na zielono) zagregowane na powierzchni gąbczastej tkanki mezofilu w liściach rośliny
