Τα πρώτα βιονικά φυτά με «τούρμπο» φωτοσύνθεση

Αμερικανοί ερευνητές δημιούργησαν τα πρώτα βιονικά φυτά, τα οποία, χάρη στην ενσωμάτωση νανοσωματιδίων και νανοσωλήνων στα κύτταρά τους, είναι ικανά να εκτελούν κατά πολύ βελτιωμένη φωτοσύνθεση. Πρόκειται για τα πρώτα...
βήματα σε ένα νέο πολλά υποσχόμενο επιστημονικό πεδίο, που έχει αποκληθεί «νανοβιονική των φυτών», αν και για τις πρακτικές εφαρμογές θα χρειαστούν αρκετά ακόμη χρόνια ερευνών.
Το επίτευγμα, πέρα από το να κάνει «τούρμπο» την ενεργειακή αποδοτικότητα των φυτών κατά την μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί επίσης να ανοίξει το δρόμο για μια νέα κατηγορία υβριδικών βιονικών υλικών (για χρήση σε κινητά τηλέφωνα, κτίρια κ.α.), που θα αναπτύσσονται και θα αποκαθιστούν μόνα τους τις όποιες βλάβες τους, μόνο με τη χρήση του ηλιακού φωτός. Επιπλέον, κάποτε μπορεί τα ίδια τα δέντρα να λειτουργούν ως κεραίες κινητής τηλεφωνίας!
Οι χημικοί μηχανικοί και βιολόγοι με επικεφαλής τον καθηγητή χημικής μηχανικής Μάικλ Στράνο του Πανεπιστημίου ΜΙΤ, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό για νέα υλικά "Nature Materials", σύμφωνα με το "New Scientist" και το "Scientific American", κατάφεραν να αυξήσουν κατά τουλάχιστον 30% την ικανότητα των φυτών να απορροφούν ηλιακή ενέργεια, εισάγοντας νανοσωλήνες άνθρακα στους χλωροπλάστες, εκείνα τα μικρά όργανα μέσα στα φυτικά κύτταρα όπου λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση. Επιπλέον, ενσωματώνοντας στα φυτά ένα διαφορετικό είδος νανοσωλήνων άνθρακα, τα τροποποίησαν έτσι ώστε να είναι σε θέση να ανιχνεύουν αέριους ρύπους, όπως το οξείδιο του αζώτου, που εκλύεται από τις εξατμίσεις.
Φυτά με αποδοτικότερη φωτοσύνθεση θα είναι πιο χρήσιμα για την παραγωγή τροφίμων και βιοκαυσίμων, θα απελευθερώνουν περισσότερο οξυγόνο στον περιβάλλοντα ανοικτό ή κλειστό χώρο, ενώ θα έχουν νέες ιδιότητες, αφού θα μπορούν να δρουν σε πραγματικό χρόνο ως περιβαλλοντικά «ραντάρ» στον αέρα και στο έδαφος, ως βιοχημικοί ανιχνευτές επικίνδυνων χημικών αερίων (όπως το σαρίν) ή εκρηκτικών ουσιών όπως η τρινιτροτολουόλη (ΤΝΤ), καθώς και βιολογικών τοξινών (βακτηρίων, μυκήτων κ.α.).
Οι ερευνητές, ήδη εργάζονται για να ενσωματώσουν στα φυτά όχι μόνο νανοσωματίδια, αλλά ολόκληρες μικροσκοπικές ηλεκτρονικές συσκευές και νανο-υλικά όπως το γραφένιο. «Οι δυνατότητες είναι πραγματικά ατελείωτες», δήλωσε ο Μάικλ Στράνο και τόνισε ότι «το απώτερο όραμα είναι η χρήση των φυτών ως μια ευρεία τεχνολογική πλατφόρμα».
Ο Αμερικανός ερευνητής ξεκίνησε την όλη έρευνα για τα νανοβιονικά φυτά εμπνεόμενος από μια προηγούμενη μελέτη του για τη δημιουργία αυτο-επιδιορθούμενων φωτοβολταϊκών κυττάρων που θα μιμούνται τα φυτικά κύτταρα. Το επόμενο βήμα ήταν η βελτίωση της φωτοσύνθεσης των χλωροπλαστών, ώστε η σχετική τεχνολογία να αξιοποιηθεί στα φωτοβολταϊκά, ώσπου τελικά προέκυψε η ιδέα να μεταφερθεί η νανοτεχνολογία της βελτίωσης στα ίδια τα φυτά, ώστε να γίνουν βιονικά.
Το υλικό που οι ερευνητές ενσωμάτωσαν στα φυτά, είναι νανοσωματίδια από οξείδιο του δημητρίου (ή νανοδημητρία), τα οποία είναι ισχυρά αντιοεξειδωτικά που προστατεύουν τους χλωροπλάστες από βλάβες λόγω της δράσης των ελεύθερων ριζών οξυγόνου, γεγονός που αυξάνει την ενεργειακή αποδοτικότητα των φυτών.
Κανονικά, τα φυτά αξιοποιούν περίπου μόνο το 10% του φωτός που απορροφούν, όμως οι ερευνητές πρόσθεσαν στους χλωροπλάστες και νανοσωλήνες άνθρακα ως ημιαγωγούς, πράγμα που επιτρέπει πλέον στα φυτά να συλλαμβάνουν την ηλιακή ακτινοβολία και σε άλλες συχνότητες, όπως την υπεριώδη και την εγγύς του υπερύθρου. Χάρη σε αυτούς τους πρόσθετους τεχνητούς «νανο-δέκτες» του ηλιακού φωτός, η φωτοσυνθετική δραστηριότητα αυξήθηκε έως 50% σε σχέση με αυτή που θα ήταν φυσιολογικά, αν δεν υπήρχαν οι ενσωματωμένοι νανοσωλήνες.
Ο συνδυασμός των δύο καινοτομιών, των νανοσωματιδίων από οξείδιο του μετάλλου δημητρίου και των ημιαγωγικών νανοσωλήνων άνθρακα, έκανε «τούρμπο» τους χλωροπλάστες, όσον αφορά την αποδοτικότητα της φωτοσύνθεσής τους. Τα πειράματα με φυτά έδειξαν ότι η βελτίωση φθάνει τουλάχιστον το 30%.
Προς το παρόν, παραμένει ακόμα άγνωστο πόσο και πώς η βελτιωμένη φωτοσύνθεση επηρεάζει την παραγωγή σακχάρων μέσα στο φυτό. Στη φωτοσύνθεση υπάρχουν δύο στάδια: στο πρώτο, η χλωροφύλλη των φυτών απορροφά ηλιακό φως, το οποίο διεγείρει τη ροή των ηλεκτρονίων στις μεμβράνες των χλωροπλαστών. Το φυτό αξιοποιεί αυτή την εσωτερική ηλεκτρική ενέργεια (μαζί με διοξείδιο του άνθρακα και νερό), για να υλοποιήσει το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης, την παραγωγή σακχάρων όπως η γλυκόζη. Αυτά τα σάκχαρα μπορούν μετά να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοκαυσίμων ή πολυμερών χημικών.
Μερικοί επιστήμονες, όπως ο Τζέημς Κόλινς του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, δήλωσαν εντυπωσιασμένοι, κάνοντας λόγο για «ένα θαυμαστό συνδυασμό νανοτεχνολογίας και συνθετικής βιολογίας, που μπορεί να βελτιώσει τις λειτουργίες των έμβιων οργανισμών». Άλλοι όμως εμφανίστηκαν πιο επιφυλακτικοί, τονίζοντας ότι παραμένει ακόμη μυστήριο με ποιό τρόπο «δουλεύει» η νανοτεχνολογία μέσα στα φυτικά κύτταρα.