Op de nanoschaal sleutelen aan planten, dat lijkt misschien science fiction, maar dat is het niet. Een team van wetenschappers van de Universiteit van Melbourne heeft planten gemaakt die kunstmatige nanodeeltjes bevatten. Deze geven de plant handige nieuwe functies, zoals het detecteren van chemische stoffen en het omzetten van uv-straling tot zichtbaar licht. De onderzoekers presenteerden hun resultaten afgelopen week op een persconferentie van de American Chemical Society.
De wetenschappers maakten de cyborgplanten door ze uit te rusten met zogeheten metal organic frameworks, ook wel MOFs. MOFs zijn poreuze materialen met een driedimensionale structuur. Ze ontstaan door geladen metaaldeeltjes aan elkaar te koppelen met behulp van organische moleculen. Door verschillende combinaties te gebruiken van metaalionen en hun organische koppelaars, variëren MOFs in grootte en functionaliteit.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Door hun poreuze structuur kunnen MOFs goed andere moleculen opnemen, vasthouden en weer loslaten, een beetje vergelijkbaar met hoe een spons dat doet. Er bestaan ruim twintig duizend verschillende soorten MOFs, die worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, van energieopslag tot het afleveren van medicijnen in het lichaam.
Door planten uit te rusten met MOFs konden de onderzoekers de planten eigenschappen geven die ze van nature niet bezitten. In het onderzoek gebruikten de onderzoekers een welbekend mechanisme om de MOFs in de plant te stoppen: het kleuren van bloemblaadjes.
Bloemblaadjes verven
Een manier om bloemblaadjes te verven is door ze in water te zetten waarin een kleurstof is opgelost. Doordat de plant het water met de kleurstofdeeltjes opneemt, komt de verf in de plant terecht en verkleuren de blaadjes.
Precies dit principe gebruikten onderzoeksleider Richardson en zijn collega’s om de planten MOFs te laten opnemen. Aangezien de MOFs in hun geheel te groot zouden zijn om één keer op te nemen, werden losse onderdelen aan het water toegevoegd. Eenmaal opgenomen werden de losse bouwstukjes in de plant omgezet tot een volledige MOF.
Detectie
De specifieke MOF die de onderzoekers in de plant stopten, kan aceton detecteren. De MOF is fluorescent, en in de buurt van aceton neemt de mate van fluorescentie af. Eenmaal opgenomen in de plant, behield de MOF het vermogen om op deze manier de aanwezigheid van aceton aan te tonen. Hierdoor was de plant in staat om kleine hoeveelheden aceton te detecteren.
Handig, aangezien aceton voorkomt in afvalwater en schadelijk is voor organismen. Gezien de grote variatie in MOFs stellen de onderzoekers dat we in de toekomst cyborgplanten kunnen gebruiken om ook andere afvalstoffen op te sporen en zo vervuiling aan te tonen.
Ruimtereizen
Andere MOFs zijn staat om uv-straling om te zetten in zichtbaar licht. In een tweede experiment brachten de onderzoekers een laagje MOFs aan op de bladeren van chrysanten en lelies. Vervolgens stelden de ze deze planten bloot aan een hoge dosis uv-straling die normaal gesproken schadelijk zou zijn. De gecoate planten bleken echter door de MOFs beschermd te zijn tegen de negatieve effecten van de straling.
De onderzoekers speculeren dat in de toekomst deze toepassing van MOFs wellicht gebruikt kan worden om planten te laten groeien in de ruimte. In de ruimte is de dosis uv-straling hoog, en de hoeveelheid licht die de plant kan gebruiken voor fotosynthese beperkt. Het omzetten van uv-straling in licht zou de plant zowel beschermen tegen een hoge stralingdosis, als de beschikbare hoeveelheid licht voor fotosynthese vergroten. Het kan daarmee een effectieve manier zijn om groei van planten in de ruimte mogelijk te maken.
We moeten nog wel een aantal stappen zetten voordat het zover is, aldus Stéfania Grecea, scheikundige aan het van ’t Hoff instituut voor Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam. ‘Gezien de belangrijke rol van planten in ons ecosysteem is het belangrijk om goed naar dit soort modificaties te kijken. Er moet goed gekeken worden naar de effecten op de lange termijn en eventuele consequenties van deze manier van het modificeren van planten. Er is nog veel onderzoek nodig voordat we echt een conclusie kunnen trekken over het gebruik van MOFs in planten.’