Как обычные наночастицы становятся вредными внутри растений
Новое исследование под руководством Калифорнийского университета в Риверсайде показывает, как распространённые наночастицы природного и антропогенного происхождения могут трансформироваться внутри растительных клеток и ослаблять способность растений превращать солнечный свет в пищу. Это открытие указывает путь к решению проблемы.
Двигатели внутреннего сгорания и производство, а также природные процессы, такие как лесные пожары и извержения вулканов, выбрасывают наночастицы, которые в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса.
Синтезированные наночастицы также изучаются для перспективного применения в сельском хозяйстве и производстве биотоплива. Они могут точно доставлять пестициды или питательные вещества к растениям, защищать их от засухи или жары и даже служить крошечными сенсорами для мониторинга здоровья растений.
"Половина всех удобрений, вносимых на фермах, теряется в окружающей среде и загрязняет грунтовые воды. С наиболее часто используемыми пестицидами всё ещё хуже — только 5% может достичь своих целей. Есть большой простор для улучшений", — сказал Хуан Пабло Хиральдо, доцент биологии растений в UCR.
Многие учёные утверждают, что наночастицы необходимы для удовлетворения растущего мирового спроса на продовольствие. Но есть загвоздка.
Исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, показывает, что внутри растений частицы могут трансформироваться таким образом, что это мешает фотосинтезу — процессу, с помощью которого растения превращают солнечный свет в пищу.
"Наночастицы, как природные, так и антропогенные, широко распространены во многих экосистемах Земли, но учёные только недавно начали понимать, как они взаимодействуют с различными частями окружающей среды", — сказал Линь Хэ, заместитель директора отдела химии Национального научного фонда США (NSF).
Под руководством Хиральдо и его аспиранта Кристофера Кастильо исследовательская группа обнаружила, что при проникновении в растительные клетки наночастицы претерпевают изменения pH и приобретают липидные оболочки из растительных мембран. Эта трансформация усиливает их способность связываться с RuBisCO — белком, который инициирует фотосинтез.
"Липидные оболочки положительно заряженных наночастиц усиливают их связывание с RuBisCO и не позволяют ему хорошо выполнять свою работу", — сказал Хиральдо.
RuBisCO позволяет растениям и водорослям поглощать углекислый газ и превращать его в сахара, стимулирующие рост. Это, возможно, самый распространённый белок на Земле, и он имеет центральное значение для пищевой цепи.
Стремясь понять влияние трансформации наночастиц на функцию RuBisCO, команда предприняла многолетнее исследование.
В нём участвовали учёные из Университета Санта-Клары, Университета Иллинойса, Университета Джонса Хопкинса, Сельскохозяйственной опытной станции Коннектикута, а также UCR, при поддержке Центра устойчивой нанотехнологии NSF.
Команда измерила, сколько углекислого газа поглощается листьями Arabidopsis, что является индикатором активности RuBisCO. Хотя наночастицы показали незначительное воздействие на RuBisCO в пробирке, после трансформации в живых растительных клетках они снизили активность белка в три раза.
"Это первый раз, когда мы смогли сравнить влияние наночастицы на белок как снаружи, так и внутри живой растительной клетки", — сказал Хиральдо. "До сих пор у нас не было инструментов для сравнения этих изменений в функции белка".
Ранее группа задавалась вопросом, может ли положительный заряд наночастиц нарушать функцию белка. "Теперь мы знаем, что дело не обязательно в заряде, а в трансформации, которую они претерпевают, попадая в растения и, потенциально, в другие организмы", — сказал Хиральдо. Команда первой сделала это открытие.
Междисциплинарный характер команды был большим преимуществом. "Мы все привносим дополнительные методы, которые позволяют глубже понять такую сложную систему, как растительная клетка", — сказал Ригоберто Эрнандес, соавтор исследования и профессор химии Университета Джонса Хопкинса.
"Используя компьютерное моделирование, дающее представление о структуре и движении на микроскопических масштабах, мы выяснили, как липиды приобретаются наночастицами в присутствии RuBisCO", — сказал Эрнандес.
Исследователи призывают к лучшему пониманию химических трансформаций, вызываемых наночастицами внутри организмов. Наночастицы остаются привлекательными для сельского хозяйства и биотоплива, потому что их можно спроектировать так, чтобы они были одновременно биосовместимыми и биоразлагаемыми. Теперь их также можно сделать лучше для растений.
"Благодаря Центру устойчивой нанотехнологии NSF исследователи из разных областей химии и экологии сотрудничали, чтобы получить новое понимание того, как наночастицы трансформируются и взаимодействуют с белком, участвующим в фотосинтезе растений", — сказал Хэ из NSF. "Тем самым они заложили основу для более безопасного и эффективного использования наночастиц для сельскохозяйственных и биотехнологических применений".
"Это знаковое исследование говорит нам, что нам предстоит пройти долгий путь, чтобы создать наночастицы, которые действительно полезны для окружающей среды", — сказала Кэтрин Мерфи, соавтор исследования и профессор химии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.
"Но теперь, когда мы знаем механизм действия, мы можем перенастроить наши методы, чтобы решить эти проблемы", — сказала Мерфи.