可用于從儲氣藥物輸送到傳感化合物等各種物質

蓮花在JJ Richardson在墨爾本的公寓外的噴泉中生長。有一天，墨爾本大學的化學工程師Richardson在走過時注意到這些花，并認為這些喜愛水的植物將是一個新研究項目的完美之處：教授植物檢測危險化學品。

理查森不是植物生物學家。大多數(shù)時候，他研究金屬有機骨架(或MOF)，這是一種類似水晶的納米材料，可用于從儲氣，藥物輸送到傳感化合物等各種物質。Richardson擁有哲學本科學位和系統(tǒng)工程碩士學位，長期以來一直對“生命和逼真的材料”感興趣，并在閱讀2015年科學進展論文后對植物的可能性產(chǎn)生了興趣，研究人員在該論文中展示了創(chuàng)建電子學的方法。工廠內(nèi)的電路。訣竅是將植物放入特定的解決方案中，讓植物自身的內(nèi)部結構吸收電路材料，類似于放置在染料中的白玫瑰如何吸收顏色，將其變成藍色，粉紅色或彩虹色調(diào)。

對于他們的實驗，“我們實際上在工廠內(nèi)種植了MOF，而不是使用預先形成的材料，”Richardson說，他今天在佛羅里達州奧蘭多舉行的美國化學學會會議上介紹了這項研究。該團隊將MOF成分(如金屬鹽)放入水溶液中，然后將蓮花放入該溶液中。蓮花吸收了溶液，并在血管系統(tǒng)內(nèi)生長出不同類型的熒光MOF。這些新設計的植物在置于丙酮中時熒光較少，表明它們能夠檢測到有毒化學物質的存在。

根據(jù)理查森的說法，有一天，機場的工廠有助于感知化學品的存在?？紤]到MOF仍然很昂貴并且蓮花研究是一個原理驗證實驗，這不會很快發(fā)生。盡管如此，它還是植物納米生物學領域的另一個進入，或者是將納米結構植入植物中以教導它們從監(jiān)視器干旱到取代路燈的所有工作。

麻省理工學院的化學工程師，工廠納米生物學的先驅之一邁克爾斯特拉諾說：“我們早就應該把植物作為技術的起點。” 植物從太陽中收集自己的能量并將其作為燃料存儲，這意味著它們就像是太陽能電池和電池的組合。他們自我修理，可以在空中抽水數(shù)百英尺，看似沒有能量輸入，并且很容易適應惡劣的環(huán)境。“作為一個工程平臺，他們有許多尚未開發(fā)的優(yōu)勢，”Strano補充道。

早在2016年，斯特拉諾的團隊就找到了如何設計菠菜植物以在多步驟過程中檢測爆炸物。首先，科學家將傳感器 - 能夠檢測到地雷中常見的硝基芳族化合物 - 種植到植物的葉子中。然后菠菜通過根部吸收爆炸性化合物; 當化合物移動到葉子時，它會激活植物的傳感器。傳感器然后發(fā)出熒光信號，可以從附近的紅外攝像機看到，該紅外攝像機連接到計算機并且還可以發(fā)送關于爆炸物的電子郵件警報。

從那時起，該團隊已將傳感器向內(nèi)轉。新的重點不是測量地下水中的爆炸物，而是看到植物本身正在發(fā)生的事情。“植物在其環(huán)境中收集信息，并在內(nèi)部用化學信號發(fā)出信號，”斯特拉諾說。能夠測量這些變化可以告訴我們植物是多么渴，并幫助解決水利用，作物健康和監(jiān)測干旱等問題。其中一個傳感器位于葉子表面，測量植物毛孔的開口并跟蹤儲存在其中的水。他補充說：“我們現(xiàn)在有一些工作要準備好提交我們?nèi)绾谓忉屵@些信號并將它們發(fā)送到手機上。” 下一步將是連接傳感器，這意味著“將工廠連接到互聯(lián)網(wǎng)”。

農(nóng)民和農(nóng)業(yè)工人有興趣獲得更細粒度的細節(jié)以改善生長過程，但人們對植物本身的基因工程很感興趣。想象一下，使光合作用更有效，或設計植物以抵抗病蟲害，或創(chuàng)造更好的生物燃料。加州大學伯克利分校的化學工程師Markita Landry說，所有這一切都始于將DNA帶入現(xiàn)有細胞。

DNA本身并不具備必要的剛性。蘭德里將其描述為試圖將煮熟的針頭推過一片吐司 - 它實在太松軟了。目前的技術涉及將DNA置于插入植物中的細菌內(nèi)或將其射入細胞中。這兩種方法都經(jīng)常失敗，這是蘭德里的工作所在。她的想法是使用碳納米管來傳遞DNA，碳納米管本質上是剛性非常小的圓柱體。她說，這就像將DNA穿到能夠實際通過并傳遞有效載荷的針上，并且它比其他方法更有效。(結果發(fā)表在今年早些時候的Nature Nanotechnology雜志上。)

她的團隊將DNA涂層的碳納米管混合到細胞培養(yǎng)物中并觀察轉化，例如DNA的去向和作用。在其他情況下，他們將從注射器中取出針頭并用納米顆粒溶液戳出植物的蠟質表皮層。納米粒子的理想尺寸和剛度仍然存在很多問題，迄今為止的研究主要集中在將DNA帶入植物中。下一步是弄清楚如何將它準確地送到最有用的地方。

蘭德里的研究工作在分子水平上，但在肉眼可以很容易地看到植物納米生物學的其他工作。今年夏天的33周，紐約Cooper Hewitt Smithsonian設計博物館將有一個不同尋常的展示：一個發(fā)光工廠。這是Strano實驗室于2017年設計的下一代植物，通過將發(fā)光納米顆粒嵌入水田芥中。該團隊正在開發(fā)一種開關，可以幫助工廠在白天關閉并在夜間開啟。

目前，這些工廠只能發(fā)光大約四個小時，所以它們最適合更換臺燈。斯特拉諾希望通過提高亮度和效率，我們可以更大的思考，創(chuàng)造一個世界，在這個世界里，自給自足的離網(wǎng)工廠可以取代街道照明。

然而，在我們到達那里之前，仍有許多非常基本的問題。“我們?nèi)匀辉谘芯考{米粒子如何在活植物內(nèi)移動和交通，”斯特拉諾說，他的團隊也發(fā)表了一篇論文，其中的理論試圖預測納米粒子的運動方式。“基礎科學正在興起，但我們?nèi)栽跍y試這一理論的界限，我們?nèi)栽趯⑵鋽U展到更廣泛的納米粒子。”

理查森承認存在許多重大問題，但他們渴望繼續(xù)與MOF和工廠合作。他的團隊還嘗試在MOF中浸泡菊花，發(fā)現(xiàn)這些植物受到太陽的破壞比沒有涂層的花更少，使他認為這種材料可以幫助保護我們可能想要在太空中生長的植物，那里的輻射很充足。人類未來的任何地方，植物很可能就在我們身邊。正如最近的研究表明，這一基于植物的創(chuàng)新領域很有可能在未來很長一段時間內(nèi)繼續(xù)增長。