Почитати перед сном при світлі рослини? Чому б ні. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) зробили перший крок до створення рослин, що безперервно світяться. Крім затишку в домі їх хвилює ще й майбутнє енергетики.
Насправді це далеко не перша рослина, яка світиться, створена вченими. Раніше фахівці за допомогою сплайсингу генів біолюмінесцентних бактерій вже створювали “рослинний нічник”. В принципі, світитися в темряві можна змусити що завгодно – від ялинки до морозива. Але питання в тому, як це зробити.
Всі попередні роботи припускали перенесення генів, що відповідають за вироблення світла випромінюючого біологічного пігменту люциферина (від імені Люцифер, тобто “світлоносець”). Але цей процес досить трудомісткий, а світло, випромінюване рослинами після генної модифікації, виходить дуже тьмяним.
Дослідники вирішили спробувати інший шлях і звернулися за допомогою до світлячків. Їх люмінесценцію забезпечує люцифераза – окислювальний фермент, що діє на молекули люциферина і змушує їх випромінювати світло. У цьому процесі задіяні і інші молекули – коензими з класу коферментів А. Їх завдання – видалення побічних продуктів реакції, які пригнічують активність люциферази.
Кожен з цих трьох компонентів (люцифераза, люциферин і кофермент А) команда MIT “запакували” в наночастинки. Останні допомагають кожному компоненту потрапити в “потрібну” частину рослини, а також запобігають накопиченню компонентів до концентрацій, токсичних для рослини.
Наночастинки, які переносять люциферазу, складаються з кремнію і в діаметрі досягають десяти нанометрів. А ті, які переносять кофермент А і люциферин, за розмірами трохи більші і зібрані з хітозану і полілактида (PLGA).
Перш ніж відправити наночастинки в рослини, їх суспендовали в розчині (створювали в ньому суспензію з особливими властивостями). Лише потім їх запускали в листя через пори, звані продихи.
За задумом авторів, наночастинки, що вивільняють люциферин і кофермент А, повинні накопичуватися у позаклітинному просторі мезофілу (це основна тканина пластинки листка). А ось кремнієві частинки, що несуть люциферазу, повинні потрапляти в самі клітини мезофілу. Потім відбувається наступне: наночастинки вивільняють люциферин, він надходить у клітини листка рослини, зустрічається з люциферазою, і починається хімічна реакція світіння.
На початковій стадії проекту дослідникам вдалося домогтися 45-хвилинного світіння крес-салату. Але після удосконалення і опрацювання всіх нюансів рослини можуть світитися три з половиною години поспіль. Поки що світло, випромінюване десятисантиметровою розсадою, становить лише тисячну частину того освітлення, що необхідно для читання. Однак автори вважають, що яскравість можна значно збільшити. Для цього їм потрібно оптимізувати концентрації всіх компонентів і відрегулювати швидкість їх вивільнення.
Як відзначають вчені, такий метод можна використовувати абсолютно з будь-якими рослинами, без всякої генної модифікації. Поки що вони працюють, крім крес-салату, з руколою, капустою і шпинатом.
Основне завдання – створити рослину, яка зможе функціонувати як повноцінна настільна лампа, що не вимагає електрики. За допомогою такої технології в майбутньому можна буде перетворювати цілі дерева в “природні” ліхтарі (до речі, люмінесцентні камені вже підсвічують нічні дороги Великобританії).
Ця сфера досліджень є надзвичайно перспективною і актуальною, заявляють експерти. Сьогодні 20% світового споживання енергії припадає на освітлення. Використання рослин для цих цілей допоможе заощадити чимало коштів, а також поліпшити екологію.
“Рослини можуть самовідновлюватися, вони використовують власну енергію і вже адаптовані до навколишнього середовища. Ми думаємо, що настав їхній час. Це ідеальне рішення для нанобіоніки”, — додає провідний автор дослідження професор Майкл Страно (Michael Strano).
Фахівці його лабораторії вивчають можливості впровадження в рослини різних наночастинок для виконання найрізноманітніших функцій. В кінцевому підсумку, рослини можуть замінити багато електричних приладів, впевнені вчені. Вони, наприклад, розробляють системи для виявлення вибухових речовин, а також рослини, які здатні відстежувати екологічні умови і “повідомляти” про наближення посухи.
Більш докладно про свою роботу та її підсумки автори розповіли в статті, опублікованій у виданні Nano Letters.