С помощью углеродных нанотрубок можно заставить растения «усваивать» такие длины световых волн, которые недоступны их фотосинтетическому аппарату, а также чувствовать токсичные и взрывоопасные вещества в воздухе.
Если не углубляться в молекулярно-биохимические подробности, то фотосинтез — это способность создавать органические вещества из неорганических (воды и углекислого газа) с помощью энергии света. Изобретение, безусловно, удивительное, но при этом даже в школьных учебниках пишут, что эффективность поглощения света при фотосинтезе не превышает 10%. То есть именно столь ничтожную долю доступного им излучения фотосинтетические комплексы могут обратить на пользу организму. (В данном случае речь идёт именно о том излучении, которое дошло до фотосинтезирующей клетки.)
Самим растениям, водорослям или бактериям, может, больше-то и не надо, однако биоинженерам рано или поздно должна была прийти в голову идея повышения эффективности фотосинтеза. Это связано с попытками воспроизведения фотосинтеза в искусственной солнечной батарее, имитирующей растительную клетку. И вот в лаборатории Майкла Страно (Michael Strano) из Массачусетского технологического института (США) родилась мысль: а что если в такой искусственной солнечной батарейке использовать хлоропласты растений, но только не простые, а усовершенствованные?
В мембранах хлоропластов находятся пигменты и обслуживающие их белки: свет выбивает электрон из молекулы пигмента, и этот электрон начинает путешествие по молекулам-переносчикам. Энергию, которая выделяется из потока электронов, клетка использует для синтеза углеводов, ну а кислород тут побочный продукт реакции. Если хлоропласты вынуть из растительной клетки, они могут какое-то время работать сами, однако спустя несколько часов перестают: свет и кислород повреждают белки фотосинтетического аппарата. Пока хлоропласт находится в клетке, такие вот повреждения своевременно устраняются, но вне клетки ремонтировать фотосинтетические агрегаты некому, у самих хлоропластов инструментов для этого нет.
Решение кажется очевидным: снабдить хлоропласты каким-нибудь антиоксидантом. Исследователи использовали для этого наночастицы из оксида церия, который известен как мощнейший антиоксидант, способный обезвреживать широкий спектр агрессивных радикалов-оксилителей. Наночастицы закутывали в оболочку из полиакриловой кислоты, позволявшую им проникнуть сквозь наружную мембрану хлоропластов. Действительно, так удалось сильно уменьшить повреждения молекул, однако учёных заинтересовала ещё и сама возможность внедрения в хлоропласт каких-то «инородных тел».
Используя ту же технику, они внедрили в хлоропласты комплекс из углеродных нанотрубок, покрытых негативно заряженной ДНК. Эти нанотрубки сыграли роль светоулавливающих антенн. Известно, что одна из причин низкой эффективности фотосинтеза состоит в том, что фотосинтетические пигменты не могут поймать некоторые световые волны — к примеру, ультрафиолетовую, зелёную или волны, близкие к инфракрасным.
Углеродные нанотрубки стали чем-то вроде «фотопротезов», которые помогли поймать длины волны, недоступные обычным хлоропластам. И если измерять эффективность фотосинтеза по индуцируемому светом потоку электронов через внутренние мембраны хлоропластов, то после введения нанотрубок эффективность эта сильно возросла — на целых 49%. А с цериевыми наночастицами хлоропласты оставались активны ещё и несколько добавочных часов, несмотря на увеличившийся поток электронов.
Но выделенными хлоропластами исследователи не ограничились, попытавшись внедрить наночастицы в листья растения Arabidopsis thaliana. Раствор с наночастицами поступал в лист с его нижней стороны через устьица — и, как пишут авторы работы в Nature Materials, электронный поток в хлоропластах растения увеличился на 30%. (Впрочем, хотелось бы оценить повышение эффективности фотосинтеза, например, ещё и по уровню выделяющегося кислорода и поглощаемого углекислого газа.)
Нанотрубки, вводимые в растения, могут быть разными; их предназначение может быть не только в повышении эффективности фотосинтеза. Авторы работы показали, как с помощью подобных нанообъектов можно заставить растения чувствовать окись азота NO, которая, хотя и выполняет в организме множество полезных функций, может оказаться довольно токсичной, а потому рассматривается как один из основных загрязнителей воздуха. Кроме того, растения можно запрограммировать на обнаружение нервно-паралитического газа зарина, тринитротолуола, пероксида водорода, причём растения смогут детектировать эти вещества в очень небольших концентрациях, трудноуловимых с помощью обычных методов. Для этого нужно ввести флюоресцирующую наночастицу в комплексе с неким полимером: полимер будет связывать молекулы того или иного вещества, и свечение нанотрубки будет от этого меняться.
То есть, по сути, главный смысл этой работы не столько в том, что у растений можно повысить эффективность фотосинтеза, сколько в самой возможности появления биосинтетических растений с заданными функциями. Наночастицы помогают нам создать нечто вроде биомашины, ну а уж что эта биомашина будет делать, активно поглощать углекислый газ или сообщать нам о появлении каких-то вредных веществ в атмосфере — зависит от пожеланий заказчика.
