Czy drzewa będą świecić

Trawa sygnalizująca skażenie powietrza albo szpinak wykrywający miny? Dzięki nanobionice takie twory w zasadzie są już dostępne.

22.01.2018

Czyta się kilka minut

 / KEVIN REID / GETTY IMAGES
/ KEVIN REID / GETTY IMAGES

Natura jest od dawna inspiracją dla wynalazców. Materiały, po których spływa woda, są naśladownictwem hydrofobowych liści lotosu. Rzepy w kurtce czy butach powstały dzięki obserwacji kulek ostu przyczepiających się do sierści psa. Powoli zaczynamy także uzyskiwać energię dzięki sztucznej fotosyntezie, choć nadal daleko nam do wydajności, którą bez problemu uzyskują liście nawet najbardziej niepozornych roślin.

Człowiek idzie jednak dalej – myśli o modyfikacji roślin w taki sposób, aby uzyskać efekty niespotykane w przyrodzie. Na przykład korzysta z osiągnięć inżynierii genetycznej, by tworzyć organizmy, które posiadają geny pochodzące od innych gatunków (GMO). Z jeszcze innym podejściem wiąże się nanobionika, która modyfikuje organizmy na poziomie nano, np. rośliny, korzystając z zasobów wiedzy zdobytej przez szereg różnych dyscyplin – od biochemii po inżynierię i elektronikę – i tworzy połączenia rodem z fantastyki naukowej.

Neurobiologia roślin

Od jakiegoś czasu rozwija się tzw. neurobiologia roślin. Rośliny oczywiście nie mają układu nerwowego w takiej postaci, jaką znamy u zwierząt. Twórcy tej dziedziny proponują jednak spojrzeć na nie z innej niż dotychczas strony. Okazuje się bowiem, że rośliny skutecznie potrafią się komunikować z innymi roślinami oraz światem zwierzęcym.

Na przykład pomidor, którego skórka zostanie uszkodzona przez owada, uruchamia natychmiast syntezę jasmonianu metylu. Związek ten wykrywany jest przez sąsiadujące rośliny (nawet innych gatunków), w których liściach od razu zaczyna się produkcja inhibitorów proteazy. Są to substancje, które hamują aktywność enzymów pomagających rozkładać białka, w tym przypadku chroniąc roślinę przed owadami. Mamy tu więc do czynienia z precyzyjną komunikacją chemiczną, która powoduje zmiany metabolizmu u rośliny-odbiorcy. I to bez układu nerwowego.

Inne rośliny syntetyzują z kolei złożone białka, które zwykle spotykamy w układzie nerwowym zwierząt. A nawet wykorzystują przepływ elektronów do wytworzenia potencjału czynnościowego i przekazu informacji – mechanizm jest więc podobny jak w naszym układzie nerwowym (choć u roślin sygnał biegnie znacznie wolniej). Klasycznym przykładem może tu być efekt obserwowany u mimozy wstydliwej, u której dotknięcie liścia powoduje reakcję w postaci jego czasowego zwinięcia się. Ten sam mechanizm pozwala „polować” roślinom takim jak rosiczka.

Zmysły roślin, jakkolwiek bardzo różne od naszych, są niezwykłe. Rosnące korzenie potrafią wyczuć przeszkodę w glebie jeszcze przed jej dotknięciem i zareagować zmianą kierunku wzrostu. Większość wysyłanych i odbieranych przez roślinę sygnałów ma charakter chemiczny, natomiast wynikające z nich działania związane są z powstawaniem i zanikaniem potencjałów czynnościowych. Jeśli poznamy dokładniej te wszystkie mechanizmy, będziemy mogli je modyfikować w samych roślinach oraz twórczo wykorzystywać.

Nanorurki w rukwi

Uczeni dopiero poznają niektóre możliwości modyfikacji działania roślin i w wielu przypadkach działają intuicyjnie. Niemniej udało się już osiągnąć kilka bardzo ciekawych wyników. Ot, choćby zwyczajny szpinak. Czy można go tak zmodyfikować, aby ratował życie ludziom? To właśnie osiągnięto w jednym z zespołów badawczych na amerykańskim Massachusetts Institute of Technology. Do modyfikacji rośliny użyto specjalnych nanorurek węglowych, które mogą wykryć niewielkie ilości nitropochodnych związków aromatycznych, będących składnikami wielu materiałów wybuchowych. Nawet minimalne ilości tych związków, które przenikają np. z min do gleby, docierają do korzeni szpinaku, a stamtąd do liści. Gdy roślina wykryje obecność nitrozwiązków, emituje sygnał fluorescencyjny, który w prosty sposób można odczytać na odległość, używając kamery na podczerwień. Co więcej, kamera może być połączona z niewielkim komputerem, który w przypadku wykrycia fluorescencji prześle esemes bądź mail do odbiorcy. Proste i efektywne.

Modyfikując nanorurki, możemy spowodować wykrycie wielu innych związków. Profesor Michael Strano z MIT, jeden z prekursorów nanobioniki roślin, powiedział kiedyś, że rośliny są doskonałymi chemikami-analitykami z własnym systemem ciągłego poboru próbek z gleby i powietrza. Jeśli wyposażymy je w oparty na odpowiednio spreparowanych nanorurkach sposób analizy i sygnalizacji, możemy osiągnąć niezwykłe efekty. Grupa Strano potrafi już syntetyzować nanorurki służące do detekcji nie tylko nitrozwiązków, ale też tlenku azotu, nadtlenku wodoru, a nawet gazu bojowego – sarinu. Można sobie też wyobrazić uzyskanie roślin, które będą w sposób ciągły monitorować środowisko naturalne, sygnalizując natychmiast np. zatrucie gleby czy powietrza.

Niedawno do laboratorium tego samego zespołu trafiła rukiew wodna. Do jej modyfikacji uczeni wykorzystali związki chemiczne, które są odpowiedzialne za świecenie niewielkich chrząszczy znanych jako świetliki. Związki te – lucyferyna wraz z enzymem lucyferazą – zostały umieszczone odpowiednio w nośnikach polimerowych oraz nanocząstkach kwarcowych i, podobnie jak w przypadku szpinaku, wprowadzone do liści rukwi. W efekcie uzyskano roślinę, która świeci. Na razie światło to jest krótkotrwałe i delikatne, a więc niespecjalnie użyteczne, ale poprawa efektywności to tylko kwestia czasu. Naukowcy pracują także nad możliwością kontrolowania czasu świecenia. Można sobie wyobrazić, że w przyszłości zamiast latarni ulicznych będziemy mieli szereg drzew oświetlających okolicę po zmierzchu.

Usprawnić fotosyntezę

Zespoły pracujące nad modyfikacją roślin przy użyciu nanotechnologii zajmują się rozmaitymi zagadnieniami. Jednym z nich jest próba zwiększenia efektywności fotosyntezy. Rośliny całkiem efektywnie przetwarzają światło widzialne na energię chemiczną. Jak na razie nie jesteśmy w stanie zbliżyć się do tych rezultatów w laboratorium. Specjaliści uważają jednak, że możliwe jest poprawienie natury. Na przykład sprawiając, żeby roślina przetwarzała nie tylko światło widzialne, ale wykorzystała też energię niesioną przez inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego. Będzie to trudne, lecz pierwsze próby wydają się być zadowalające.

Trwają też prace nad zrozumieniem wielu mechanizmów komunikacji między samymi roślinami oraz między światem roślin i zwierząt. Pozwoli to na ich modyfikację i wykorzystanie w rozmaitych dziedzinach. Z łatwością możemy sobie wyobrazić nanobioniczne rośliny „opowiadające” o stanie chemicznym gleby czy też sygnalizujące automatycznie nadchodzącą suszę. Może to być początkiem realnej rewolucji w rolnictwie. Całkiem możliwe jest też, że kiedyś będziemy sadzić w domu rośliny doniczkowe, które poinformują nas zdalnie o stanie powietrza, zanieczyszczeniach czy wilgotności, a także zasygnalizują, że trzeba je podlać lub uzupełnić składniki mineralne. To już chyba niezbyt odległa przyszłość. ©

Nanobionika: jak to działa

Jednym z podstawowych problemów grupy profesora Strano, była metoda wprowadzenia do wnętrza liści roślin elementów, które służą jako detektory. W opisanych przypadkach posłużono się metodą nazwaną „infuzją naczyniową”. Polega ona na tym, że w roztworze zawierającym nanorurki umieszcza się żywe rośliny i całość poddaje ciśnieniu zewnętrznemu. W efekcie nanorurki przenikają do elementów liści zwanych mezofilem (tam właśnie zachodzi proces fotosyntezy) i tam pozostają, pełniąc swoje funkcje.

W bardzo podobny sposób postępowano w przypadku ­rukwi wodnej i wprowadzania do niej związków, które powodują świecenie. Tu jednak trzeba było zastosować dodatkowe zabiegi. Enzym lucyferaza został zamknięty w porowatych nanocząstkach o średnicy 10 mikrometrów (jednej setnej milimetra), wykonanych z obojętnego dla rośliny kwarcu (SiO2). Z kolei związek, który miał ulegać utlenianiu, czyli lucyferyna, umieszczano w nieco większych cząstkach wykonanych z kopolimeru kwasu mlekowego i glikolowego. Trzeci niezbędny do reakcji składnik, koenzym A, ­zamknięto w otoczce wykonanej z polisacharydu o nazwie chitozan (jest to pochodna chityny, składnika np. pancerzyków stawonogów). Sam proces dostarczenia do wnętrza liści rukwi oparty był także na infuzji naczyniowej.

Taka kompozycja składników i ich otoczek pozwala na powolne uwalnianie lucyferyny, która jest utleniana w obecności lucyferazy, czego widocznym efektem jest generowanie charakterystycznego zielonkawego światła.©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 5/2018