Углеродные нанотрубки и неорганические наночастицы повышают активность и стабильность фотосинтеза

Разработан новый процесс спонтанного внедрения и сборки углеродных нанотрубок (УНТ) и наночастиц-поглотителей кислорода в хлоропласты — части растительных клеток, осуществляющие фотосинтез (преобразование света в энергию). Внедрение УНТ усилило поток электронов, связанный с фотосинтезом, на 49% в изолированных хлоропластах и на 30% в листьях живых растений. Внедрение наночастиц оксида церия (нанокерии) в изолированные хлоропласты значительно снизило концентрации супероксида — соединения, токсичного для растений.

Хлоропласты поглощают свет только из видимой части солнечного спектра, что позволяет использовать лишь около 50% падающей солнечной энергии. Менее 10% полного солнечного света насыщает возможности фотосинтетического аппарата. Считается, что этот нанобионический подход расширяет часть солнечного спектра, используемую для производства энергии.

Разработан новый нанобионический подход, придающий более высокую фотосинтетическую активность листьям растений и изолированным хлоропластам. Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что сильно заряженные одностенные углеродные нанотрубки (УНТ), покрытые ДНК и хитозаном, способны спонтанно проникать в хлоропласты.

Новый процесс LEEP (lipid exchange envelope penetration) для внедрения наноструктур включает обёртывание УНТ или наночастиц сильно заряженными молекулами ДНК или полимера, что позволяет им проникать через жирные, гидрофобные мембраны, окружающие хлоропласты.

• Внедрение УНТ в изолированные хлоропласты усилило их фотосинтетическую активность на 49% по сравнению с контролем.
• Внедрение этих нанокомпозитов в хлоропласты листьев живых растений усилило поток электронов, связанный с фотосинтезом, на 30%.

Эти результаты согласуются с идеей, что полупроводниковые углеродные нанотрубки могут расширить поглощение света растительными материалами на другие части солнечного спектра (зелёную, ближнюю инфракрасную и ультрафиолетовую).

Ещё одно серьёзное ограничение для использования изолированных хлоропластов — их легкая деградация из-за светового и кислородного повреждения фотосинтетических белков. Когда мощные поглотители кислородных радикалов, такие как наночастицы оксида церия (нанокерия), были объединены с сильно заряженным полимером (полиакриловой кислотой) и внедрены в изолированные хлоропласты с помощью процесса LEEP, повреждение от супероксидов и других активных форм кислорода было dramatically reduced.

Ожидается, что этот нанобионический подход внесёт вклад в разработку биомиметических материалов для улавливания света и преобразования солнечной энергии, а также для биохимического детектирования с регенеративными свойствами и повышенной эффективностью.