Nanoteknoloji, Bitkileri Süper Şarjlı Enerji Üreticilerine veya Patlayıcılar için Sensörlere Dönüştürebilir!
Fotoğraf : Araştırmacılar, bir Arabidopsis thaliana bitkisine gömülü karbon nanotüp sensörlerinin çıktılarını okumak için yakın kızılötesi mikroskop kullanıyorlar.
Biyonik Bitkiler
Nanoteknoloji, bitkileri süper şarjlı enerji üreticilerine veya patlayıcılar için sensörlere dönüştürebilir.
Bitkilerin pek çok değerli özelliği vardır: Yiyecek ve yakıt olarak kullanılırlar, solumda kullandığımız oksijeni sağlarlar ve çevremizi güzelleştirirler. Bu sıralar, MIT araştırmacılarından oluşan bir ekip, bitkilerin enerji üretimini arttıran ve çevresel kirleticilerin izlenmesi gibi tamamen yeni özellikler verebilecek nanomateryaller ile bitkileri daha kullanışlı hale getirmek istiyor.
Yeni bir Nature Materials makalesinde, araştırmacılar, fotosentezin gerçekleştiği bitki organeli olan kloroplasta karbon nanotüpler yerleştirerek bitkilerin ışık enerjisini yakalama kabiliyetini yüzde 30 artırdıklarını bildirdi. Ayrıca karbon nanotüplerin bir başka versiyonunu kullanarak, bitkileri gaz nitrik oksidi tepit eden bir hale getirdiler.
Bunlar, araştırmacıların “bitki nanobiyonikleri” olarak adlandırdıkları bilimsel bir alanın gelişmesindeki ilk adımları temsil ediyor.
Carbon P. Dubbs Kimya Mühendisliği Profesörü ve MIT araştırma ekibinin lideri Michael Strano: “Bitkiler bir teknoloji platformu olarak çok çekici” diyor. “Kendilerini yeniliyorlar, dışarıda çevresel olarak stabiller, zorlu çevre koşullarında hayatta kalıyorlar ve kendi güç kaynaklarını sağlayıp su dağılımlarını kendileri yapıyorlar.”
Strano ve makalenin baş yazarı, doktora sonrası bitki biyoloğu Juan Pablo Giraldo, bitkileri patlayıcı veya kimyasal silah dedektörleri gibi kendi kendine çalışan, fotonik cihazlara dönüştürmeyi hayal ediyor. Araştırmacılar, ayrıca elektronik cihazları bitkilerin içine dahil etme üzerine çalışmalar yapıyorlar. “Potansiyal gerçekten sonsuz.” Diyor Strano.
Süper Şarjlı Fotosentez
Nanobiyonik bitkiler fikri, Strano’nun laboratuvarında, bitki hücreleri üzerinde modellenen kendi kendini onaran güneş pilleri inşa etme projesinden doğdu. Bir sonraki adımda, araştırmacılar, güneş pillerinde olası bir kullanım için bitkilerden izole ettikleri kloroplastların fotosentetik özelliklerini geliştirmeyi denemek istediler.
Kloroplastlar iki aşamada gerçekleşen fotosentez için gerekli tüm mekanizmalara ev sahipliği yapar. İlk aşamada, klorofil gibi pigmentler ışığı emer, bu da kloroplastın tilakoid membranlarından akan elektronları uyarır. Bitkiler, bu elektriksel enerjiyi yakalar ve fotosentezin ikinci aşaması olan şeker üretimi için güç kaynağı olarak kullanır.
Kloroplastlar, bitkilerden ayrıldığında bile reaksiyonlar devam edebilir fakat birkaç saat sonra ışık ve oksijen fotosentetik proteinlere zarar vereceğinden parçalanmaya başlarlar. Bitkiler, genellikle bu tür hasarları kendi kendilerine onarabilir fakat ekstrakte halindeki kloroplastlar kendi kendilerini onaramaz.
Araştırmacılar, kloroplastların üretkenliğini arttırmak için onları nanoserya olarak da bilinen seryum oksit nanopartikülleri ile gömdüler. Bu parçacıklar, oksijen radikallerini, ışık ve oksijen yardımıyla üretilen diğer yüksek reaktifli molekülleri temizleyen, kloroplastları hasardan koruyan, çok güçlü antioksidanlardır.
Araştırmacılar, geliştirdikleri yeni bir teknik olan lipid değişim zarfı penetrasyonunu (LEEP) kullanarak kloroplastlara, nanoseryaları ulaştırdılar. Parçacıkların, yüksek yüklü bir molekül olan poliakrilik asit içine sarılması, parçacıkların kloroplastları çevreleyen yağlı, hidrofobik zarlara nüfuz etmesine izin verir. Bu kloroplastlarda, zararlı moleküllerin seviyeleri önemli ölçüde düşmüştür.
Araştırmacılar aynı iletim tekniğini kullanarak, negatif yüklü DNA ile kaplanmış yarı iletken karbon nanotüpleri kloroplastların içine gömdüler. Bitkiler tipik olarak kendilerine sunulan güneş ışığının yalnızca yüzde 10’unu kullanırlar, ancak karbon nanotüpler, kloroplastların ultraviyole, yeşil ve yakın kızılötesi gibi normal aralıklarında olmayan ışık dalga boylarını yakalamasına izin veren yapay anten görevi görebilir.
“Protez foto emici” gibi davranan karbon nanotüplerdeki fotosentetik aktivite -tilakoid membranlardan geçen elektron akış hızı ile ölçülür-, gömülü nanotüpler bulunmayan izole edilmiş kloroplastlardakinden yüzde 49 daha yüksekti. Nanoserya ve karbon nanotüpler birlikte verildiğinde, kloroplastlar birkaç saat daha aktif kaldı.
Araştırmacılar, daha sonra canlı bitkilere döndüler ve nanopartikülleri küçük çiçekli bir bitki olan Arabidopsis thaliana’ya ulaştırmak için vasküler infüzyon adı verilen bir teknik kullandılar. Araştırmacılar, bu yöntemi kullanarak normalde karbondioksitin içeri akmasına ve oksijenin dışarı çıkmasına izin veren stoma olarak bilinen küçük gözeneklere, nüfuz ettiği yaprağın alt tarafına bir nanopartikül çözeltisi uyguladılar. Bu bitkilerde, nanotüpler kloroplasta taşındı ve fotosentetik elektron akışını yaklaşık yüzde 30 artırdı.
Henüz keşfedilmesi gereken şey, bu fazladan elektron akışının bitkilerin şeker üretimini nasıl etkilediğidir. Giraldo: “Bu, laboratuvarda hala cevabını bulmaya çalıştığımız bir soru: Nanopartiküllerin glikoz gibi kimyasal yakıtların üretimindeki etkisi nedir?” diyor.
Yalın Yeşil Makinalar
Araştırmacılar ayrıca, yanma sonucu oluşan çevresel bir kirletici olan nitrik oksidi tespit eden karbon nanotüpler sunarak Arabidopsis thaliana bitkilerini kimyasal sensörlere dönüştürebileceklerini gösterdiler.
Strano’nun laboratuvarı daha önce hidrojen peroksit, patlayıcı TNT ve sinir gazı sarini gibi birçok farklı kimyasal için karbon nanotüp sensörleri geliştirdi. Hedef molekül, nanotüpün etrafına sarılmış bir polimere bağlandığında, tüpün floresansını değiştirir.
Giraldo, “”Bir gün bu karbon nanotüpleri, gerçek zamanlı olarak tek partikül seviyesinde, serbest radikalleri veya çok düşük konsantrasyonda ve tespit edilmesi zor sinyal moleküllerini algılayan sensörler yapmak için kullanabiliriz” diyor.
Araştırmada yer almayan Boston Üniversitesi’nde biyomedikal mühendisliği profesörü James Collins, “”Bu, canlı organizmaların -bitkilerin- işlevini değiştirmek ve geliştirmek için nanoteknolojinin sentetik biyoloji ile nasıl birleştirilebileceğinin müthiş bir göstergesidir.” diyor. “Yazarlar, kendi kendine birleşen nanopartiküllerin, bitkilerin fotosentetik kapasitesini artırmak için kullanılabileceğini ve bunun yanısıra bitki bazlı biyosensörler ve stres azaltıcılar olarak kullanılabileceğini güzel bir şekilde gösteriyor.”
Araştırmacılar, sensörleri farklı hedeflere uyarlayarak, çevre kirliliğini, böcek ilaçlarını, mantar enfeksiyonlarını veya bakteriyel toksinlere maruziyeti izlemek için kullanılabilecek bitkiler geliştirebilmeyi umuyorlar. Ayrıca grafen gibi elektronik nanomalzemeleri bitkilere dahil etmek için çalışıyorlar.
Giraldo, “Şu anda neredeyse hiç kimse ortaya çıkan bu alanda çalışmıyor.” diyor. “Bu, bitki biyolojisi ve kimya mühendisliği nanoteknoloji topluluğundan olan kişilerin, büyük bir potansiyele sahip bir alanda birlikte çalışması için bir fırsat.”
Araştırma, öncelikle ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilmiştir.
Kaynak: mit.edu
