Bioniniai augalai siūlo fotosintezės supergalias

Už tokią gyvybę, kokią žinome, dėkoti turime augalams. Viskas prasideda nuo mažyčių organelų augalų lapuose, vadinamų chloroplastais. Šie chloroplastai – pirmųjų fotosintetinančių cianobakterijų paprastesni palikuoniai – naudoja gaunamą šviesą vandens molekulių skaidymui ir tada suriša anglį ir vandenilį į daug energijos turinčius junginius, randamus visur, nuo maisto iki iškastinio kuro. Šių junginių gamybos „atlieka“ yra deguonis, kurį mes ir likusi gyvūnų karalystė naudoja kvėpavimui.

Bet chloroplastai nėra labai efektyvūs. Jie nesugeria žalios spalvos (todėl dauguma augalų žali), o taip pat saulės šilumos – infraraudonosios šviesos. Bendrai jie daug daugiau šviesos energijos iššvaisto, nei panaudoja; fotosintezė maksimaliai išnaudoja 10% gaunamos šviesos. Tad, kodėl nepagerinus floros ir jos lapuotos fotosintetinančios mašinerijos?

Būtent tai ir pabandė nuveikti grupė chemijos inžinierių ir biochemikų naujame tyrime, įterpdami anglies nanovamzdelius – mikroskopinius, plonesnius už žmogaus plauką, galinčius sugerti šviesą ir paversti ją elektronų srautu – į gyvus chloroplastus. Darbas publikuotas Nature Materials kovo 16 d. (Scientific American yra Nature Publishing Group dalis .)

„Augalai nuo seno mums teikia tokius vertingus produktus, kaip maistas, biokuras, statybinės medžiagos ir deguonis, kuriuo kvėpuojame,“ pažymi augalų biologu tapęs chemijos inžinierius Juanas Pablo Giraldo, darbą atlikęs postdoktorantūros bendradarbis iš MIT tyrimų laboratorijos. „Įsivaizdavome juos kaip naują hibridinę biomedžiagą saulės energijos kaupimui, pasitaisančių cheminių detektorių teršalų, pesticidų [ir] grybelinių, bei bakterinių infekcijų aptikimui.“

Pirmiausia tyrėjai pašalino chloroplastus iš špinatų lapų ir įdėjo juos į cukraus tirpalą. Tada įterpė anglies nanovamzdelius į ląstelės riebalines sieneles, suteikę DNR neigiamą krūvį arba chitosanui (produktui iš vabzdžių egzoskeletus sudarančios medžiagos) – teigiamą. Šis įterpimas nutinka per kelias sekundes ir, pasak mokslininkų, tam nereikia šilumos, katalizatoriaus ar dar ko nors. Įterpimas būna negrįžtamas ir visiškas. Už chloroplasto ribų šiuose eksperimentuose neliko plūduriuojančių nanovamzdelių.

Dar geriau, šis triukas veikia ir su gyvų augalų chloroplastais. Nanovamzdeliai, įterpti į Arabidopsis thaliana lapus, – šis mažas žydintis augalas dažnai naudojamas tokiems tyrimams. Kas tikriausiai dar svarbiau, tokios manipuliacijos nepražudė lapų ar augalo kelias savaites.

Jau vien šis atradimas gali patraukti dėmesį, jei nanovamzdeliais galima pristatyti specifinių funkcijų DNR paketus į chloroplastą. Pavyzdžiui, tyrėjai naudojo nanovamzdelius pernešti nanometrų dydžio eilės cerio oksido daleles, susidedančias iš retųjų žemių elemento cerio ir deguonies, į chloroplastus. Šios nanodalelės padėjo pašalinti dalį fotosintezės metu susidarančio deguonies, dėl ko dažnai sutrinka ląstelės mašinerija.

Bet ir patys anglies nanovamzdeliai kažkaip pagerina fotosintezę. Po šešių valandų chloroplastuose su nanovamzdeliais fotosintezės išeiga buvo tris kartus didesnė, nei neapdorotų chloroplastų, o šviesos išlaisvintų elektronų transportas padidėjo 49%. „Pademonstravome, kad anglies nanovamzdeliai pagerina šviesos energijos konvertavimą į elektronų perdavimą chloroplastuose,“ paaiškina Giraldo. Tačiau, „nežinoma, ar jie gali paveikti galutinius fotosintezės produktus,“ o tai reiškia, kad poveikis galutinei augalinio maisto – cukrų, tokių, kaip gliukozė – gamybai, lieka neaiškus.

Technika veikė tiek su izoliuotais chloroplastais, tiek ir su esančiais lapuose, nors tikslus mechanizmas taip pat dar nežinomas. Pasak Giraldo'o ir kitų komandos narių, labiausiai tikėtina, kad anglies nanovamzdeliai absorbuoja daugiau šviesos ir tampa elektronų donorais fotosintezei, arba nanovamzdeliai gali paspartinti elektronų perdavimą pačiuose fotosintezės procesuose. Bet norint gauti įrodymų, dar teks padirbėti.

Nanovamzdeliai taip pat gali veikti kaip jutikliai. Lapija su nanovamzdeliais, apšviesta infraraudonąja šviesa, fluorescuoja, bet nustoja šviesti, jei atsiranda azoto oksido, bendro augalų ir teršalų komponento. Tokie „bioniniai“ augalai galėtų būti naudojami kaip „biocheminiai detektoriai aplinkos stebėjimui miestuose, ž.ū. kultūrų laukuose, oro uostuose ar didelio saugumo įmonėse,“ sako Giraldo, pabrėždamas, kad tokie jutikliai taip pat galėtų patys pasitaisyti, kaip augalai.

Pabaigai tyrėjas iškelia mintį, kad augalai, pagerinti anglies nanovamzdeliais, potencialiai galėtų iš šviesos, vandens ir oro pagaminti daugiau produkcijos, nors tokių nanomedžiagų įterpimas būtų labai sudėtingas ir galintis turėti ilgalaikių pasekmių visai augalijai, o taip pat aplinkai. Atrodo, gali ilgai užtrukti, kol brangūs anglies nanovamzdeliai atsidurs dirvoje, kur pasisavinti per šaknis, pagelbėtų augalams funkcionuoti.

O kol kas, pasak Giraldo'o, būtų galima tyrimą pasukti atgalios ir pažiūrėti, ar anglies nanovamzdeliai panašiai veikia ir visų chloroplastų pirmtakuose – cianobakterijose. Galų gale, jei nanodalelės gali paskatinti fotosintezę tuose paprastuose vienaląsčiuose organizmuose, tada kuras, maistas ir kiti produktai, gaunami iš dumblių gali tapti ekonomiškai patrauklesni.

David Biello
www.scientificamerican.com, 2014 kovo 16 d.