За допомогою нанотрубок звичайний шпинат можна перетворити на чутливий хімічний датчик.
Коли ми чуємо про модифіковані рослини, то в більшості випадків мова йде про генетичні модифікації: у геном вставляють (або змінюють) який-небудь ген, щоб посилити якісь корисні властивості рослини - наприклад, щоб надати йому більшу стійкість до шкідників. Але генетичні маніпуляції - не єдиний шлях рослинної біоінженерії.
Два роки тому Майкл Страно (Michael S. Strano) і його колеги з Массачусетського технологічного інституту повідомили, що їм вдалося поліпшити ефективність фотосинтезу у рослин Arabidopsis thaliana: розчин вуглецевих нанотрубок, покритих ДНК (тут ДНК грала роль оболонки, а не носія генетичної інформації), вводили в листя з нижнього боку.
Наночастинки служили чимось на зразок «фотопротезів» - як відомо, фотосинтетичні пігменти рослин ловлять не всі світлові хвилі, і енергія, укладена в хвилях певної довжини, у фотосинтезі не використовується. І вуглецеві нанотрубки якраз стали антенами для світлових хвиль, зазвичай недоступних для фотосинтетичних систем.
Енергія світла потрібна для того, щоб вибити електрон з молекули-світлоуловителя і відправити його в подорож молекулами-переносниками, які сидять у мембранах хлоропластів - органів фотосинтезу рослинної клітини. Потік електронів у мембрані генерує енергію, яка йде на синтез вуглеводів.
Як писали автори роботи у своїй статті в Nature Materials, завдяки вуглецевим нанотрубкам фотосинтетичний електронний потік зростав на 30% (хоча для того, щоб оцінити ефективність фотосинтезу в цілому, добре було б також виміряти і поглинання вуглекислого газу, і виділення кисню).
Однак подібні нанотрубки можуть бути різними. З їх допомогою можна змусити рослини, наприклад, відчувати оксид азоту (NO), який, хоча і виконує в організмі безліч корисних функцій, може виявитися досить токсичним, і тому розглядається як один з основних забруднювачів повітря.
Також рослини можна запрограмувати на виявлення нервовопаралітичного газу зарину, тринітротолуолу, пероксиду водню, причому перевага рослинних детекторів буде в тому, що вони здатні відчувати ці речовини в дуже і дуже невеликих концентраціях, важкоулавних за допомогою звичайних методів.
У новій статті в Nature Materials ті ж дослідники описують наномодифікований шпинат, який відчуває нітроароматичні сполуки, що використовуються у створенні фугасних зарядів та інших штук, що вибухають. (Шпинат вибрали для того, щоб продемонструвати, що метод нанотрубок можна використовувати з різними видами, а не тільки з A. thaliana.)
Вибухівка, що опинилася в землі, надходить з водою в рослину, де взаємодіє зі спеціальними нанотрубками в листях. Потім залишається опромінювати лист лазером, щоб отримати від наночастинок відповідний флуоресцентний сигнал в навколоінфрачервоній області. Сигнал цей можна вважати за допомогою невеликої і цілком дешевої камери, або навіть за допомогою звичайного смартфона, якщо зняти з нього інфрачервоний фільтр.
Щоб зрозуміти, що флуоресцентне світіння - не просто фоновий ефект, що вода, що надійшла в шпинат, дійсно містить вибухові речовини, в рослину вводять додаткові нанотрубки, які при навчанні лазером світять, не звертаючи уваги на вибухівку, і з якими можна порівнювати світність трубок-детекторів.
Рослини, як ми сказали, здатні «відчути» потрібні речовини в дуже маленьких концентраціях, і при тому досить швидко - через 10 хвилин після того, як нітроароматичні сполуки опинилися в землі, модифікований шпинат вже про них «доповідав» за допомогою своїх нанотрубок. Правда, поки що «сигнал тривоги» можна виявити на відстані, що не перевищує всього лише один метр, проте дослідники сподіваються, що їм вдасться збільшити цю дистанцію.
У принципі у таких біонічних рослин є великі перспективи, і не тільки в екології - очевидно, що допомогою нанодатчиків ми можемо поглибше заглянути в їх біохімію, фізіологію, молекулярну генетику.
З іншого боку, самі датчики можна вдосконалювати і вдосконалювати, перетворюючи їх на складно влаштовані електронні пристрої, пов'язані зі всесвітньою мережею - любителі антиутопій тут можуть нафантазувати, що в майбутньому за нами будуть стежити вже не відеокамери ноутбуків і не смартфони, а заглядають у вікно тополі і клени.