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Plantas biónicas: las nanopartículas sintéticas mejoran la actividad fotosintética de las plantas


Las plantas tienen muchas funciones valiosas: proporcionan alimento y combustible, liberan el oxígeno que respiramos y agregan belleza a nuestro entorno. 


por el Instituto de Tecnología de Massachusetts


Ahora, un equipo de investigadores del MIT quiere hacer que las plantas sean aún más útiles al aumentarlas con nanomateriales que podrían mejorar su producción de energía y darles funciones completamente nuevas, como el monitoreo de contaminantes ambientales.

En un nuevo artículo de Nature Materials , los investigadores informan que aumentan la capacidad de las plantas para capturar la energía de la luz en un 30 por ciento al incorporar nanotubos de carbono en el cloroplasto, el orgánulo de la planta donde tiene lugar la fotosíntesis. Usando otro tipo de nanotubos de carbono , también modificaron las plantas para detectar el óxido nítrico gaseoso.

Juntos, estos representan los primeros pasos en el lanzamiento de un campo científico que los investigadores han denominado «nanobiónica de plantas».

«Las plantas son muy atractivas como plataforma tecnológica», dice Michael Strano, profesor de ingeniería química de Carbon P. Dubbs y líder del equipo de investigación del MIT. «Se reparan a sí mismos, son ambientalmente estables afuera, sobreviven en ambientes hostiles y proporcionan su propia fuente de energía y distribución de agua».

Strano y el autor principal del artículo, postdoc y biólogo de plantas, Juan Pablo Giraldo, imaginan convertir las plantas en dispositivos fotónicos autoalimentados, como detectores de explosivos o armas químicas. Los investigadores también están trabajando para incorporar dispositivos electrónicos en las plantas. «El potencial es realmente infinito», dice Strano.

Fotosíntesis sobrealimentada

La idea de las plantas nanobiónicas surgió de un proyecto en el laboratorio de Strano para construir células solares de reparación automática modeladas sobre células vegetales. Como siguiente paso, los investigadores querían intentar mejorar la función fotosintética de los cloroplastos aislados de las plantas, para su posible uso en las células solares.

Los cloroplastos albergan toda la maquinaria necesaria para la fotosíntesis, que ocurre en dos etapas. Durante la primera etapa, los pigmentos como la clorofila absorben la luz, que excita los electrones que fluyen a través de las membranas tilacoides del cloroplasto. La planta captura esta energía eléctrica y la utiliza para alimentar la segunda etapa de la fotosíntesis: la formación de azúcares.

Plantas biónicas
La fluorescencia del infrarrojo cercano de los nanotubos de carbono (naranja) infiltrados dentro de las hojas (verde) podría aumentar la fotosíntesis y permitir la detección de productos bioquímicos y contaminantes. Crédito: Juan Pablo Giraldo y Nicole M. Iverson

Los cloroplastos aún pueden realizar estas reacciones cuando se eliminan de las plantas, pero después de unas horas, comienzan a descomponerse porque la luz y el oxígeno dañan las proteínas fotosintéticas. Por lo general, las plantas pueden reparar completamente este tipo de daño, pero los cloroplastos extraídos no pueden hacerlo solos.

Para prolongar la productividad de los cloroplastos, los investigadores los incorporaron con nanopartículas de óxido de cerio, también conocidas como nanoceria. Estas partículas son antioxidantes muy fuertes que eliminan los radicales de oxígeno y otras moléculas altamente reactivas producidas por la luz y el oxígeno, protegiendo a los cloroplastos del daño.

Los investigadores administraron nanoceria en los cloroplastos utilizando una nueva técnica que desarrollaron llamada penetración de la envoltura de intercambio de lípidos, o LEEP. Al envolver las partículas en ácido poliacrílico, una molécula altamente cargada, permite que las partículas penetren en las membranas grasas e hidrofóbicas que rodean a los cloroplastos. En estos cloroplastos, los niveles de moléculas dañinas cayeron dramáticamente.

Utilizando la misma técnica de administración, los investigadores también incorporaron nanotubos de carbono semiconductores, recubiertos con ADN cargado negativamente, en los cloroplastos. Por lo general, las plantas utilizan solo alrededor del 10 por ciento de la luz solar disponible, pero los nanotubos de carbono podrían actuar como antenas artificiales que permiten a los cloroplastos capturar longitudes de onda de luz que no están en su rango normal, como el ultravioleta, el verde y el infrarrojo cercano.

Dado que los nanotubos de carbono parecen actuar como un «fotoabsorbente protésico», la actividad fotosintética, medida por la velocidad del flujo de electrones a través de las membranas tilacoides, fue 49 por ciento mayor que la de los cloroplastos aislados sin nanotubos incrustados. Cuando la nanoceria y los nanotubos de carbono se administraron juntos, los cloroplastos permanecieron activos durante algunas horas adicionales.

Luego, los investigadores recurrieron a plantas vivas y utilizaron una técnica llamada infusión vascular para administrar nanopartículas en Arabidopsis thaliana , una pequeña planta con flores. Usando este método, los investigadores aplicaron una solución de nanopartículas en la parte inferior de la hoja, donde penetró en los pequeños poros conocidos como estomas, que normalmente permiten que el dióxido de carbono entre y el oxígeno salga. En estas plantas, los nanotubos se trasladaron al cloroplasto y aumentaron el flujo de electrones fotosintéticos en aproximadamente un 30 por ciento.

Aún por descubrir es cómo ese flujo adicional de electrones influye en la producción de azúcar de las plantas. «Esta es una pregunta que todavía estamos tratando de responder en el laboratorio: ¿Cuál es el impacto de las nanopartículas en la producción de combustibles químicos como la glucosa?» Dice Giraldo.

Plantas biónicas
Imágenes de la fluorescencia de los nanotubos de carbono dentro de las hojas de una planta de Arabidopsis utilizando una sola partícula de microscopio infrarrojo cercano. Crédito: Bryce Vickmark

Máquinas verdes magras

Los investigadores también demostraron que podían convertir las plantas de Arabidopsis thaliana en sensores químicos mediante la entrega de nanotubos de carbono que detectan el óxido nítrico gaseoso, un contaminante ambiental producido por la combustión.

El laboratorio de Strano ha desarrollado previamente sensores de nanotubos de carbono para muchos productos químicos diferentes, incluidos el peróxido de hidrógeno, el explosivo TNT y el gas nervioso sarín. Cuando la molécula objetivo se une a un polímero envuelto alrededor del nanotubo, altera la fluorescencia del tubo.

«Algún día podríamos usar estos nanotubos de carbono para hacer sensores que detecten en tiempo real, a nivel de partículas individuales, radicales libres o moléculas de señalización que están en muy baja concentración y difíciles de detectar», dice Giraldo.

Al adaptar los sensores a diferentes objetivos, los investigadores esperan desarrollar plantas que puedan usarse para controlar la contaminación ambiental, los pesticidas, las infecciones por hongos o la exposición a toxinas bacterianas. También están trabajando para incorporar nanomateriales electrónicos, como el grafeno, en las plantas.

«En este momento, casi nadie está trabajando en este campo emergente», dice Giraldo. «Es una oportunidad para que las personas de biología vegetal y la comunidad de nanotecnología de ingeniería química trabajen juntas en un área que tiene un gran potencial».


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