可用于從儲(chǔ)氣藥物輸送到傳感化合物等各種物質(zhì)

蓮花在JJ Richardson在墨爾本的公寓外的噴泉中生長(zhǎng)。有一天，墨爾本大學(xué)的化學(xué)工程師Richardson在走過(guò)時(shí)注意到這些花，并認(rèn)為這些喜愛(ài)水的植物將是一個(gè)新研究項(xiàng)目的完美之處：教授植物檢測(cè)危險(xiǎn)化學(xué)品。

理查森不是植物生物學(xué)家。大多數(shù)時(shí)候，他研究金屬有機(jī)骨架(或MOF)，這是一種類(lèi)似水晶的納米材料，可用于從儲(chǔ)氣，藥物輸送到傳感化合物等各種物質(zhì)。Richardson擁有哲學(xué)本科學(xué)位和系統(tǒng)工程碩士學(xué)位，長(zhǎng)期以來(lái)一直對(duì)“生命和逼真的材料”感興趣，并在閱讀2015年科學(xué)進(jìn)展論文后對(duì)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(xué)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(jié)構(gòu)吸收電路材料，類(lèi)似于放置在染料中的白玫瑰如何吸收顏色，將其變成藍(lán)色，粉紅色或彩虹色調(diào)。

對(duì)于他們的實(shí)驗(yàn)，“我們實(shí)際上在工廠內(nèi)種植了MOF，而不是使用預(yù)先形成的材料，”Richardson說(shuō)，他今天在佛羅里達(dá)州奧蘭多舉行的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議上介紹了這項(xiàng)研究。該團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)出不同類(lèi)型的熒光MOF。這些新設(shè)計(jì)的植物在置于丙酮中時(shí)熒光較少，表明它們能夠檢測(cè)到有毒化學(xué)物質(zhì)的存在。

根據(jù)理查森的說(shuō)法，有一天，機(jī)場(chǎng)的工廠有助于感知化學(xué)品的存在?？紤]到MOF仍然很昂貴并且蓮花研究是一個(gè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這不會(huì)很快發(fā)生。盡管如此，它還是植物納米生物學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)進(jìn)入，或者是將納米結(jié)構(gòu)植入植物中以教導(dǎo)它們從監(jiān)視器干旱到取代路燈的所有工作。

麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師，工廠納米生物學(xué)的先驅(qū)之一邁克爾斯特拉諾說(shuō)：“我們?cè)缇蛻?yīng)該把植物作為技術(shù)的起點(diǎn)。” 植物從太陽(yáng)中收集自己的能量并將其作為燃料存儲(chǔ)，這意味著它們就像是太陽(yáng)能電池和電池的組合。他們自我修理，可以在空中抽水?dāng)?shù)百英尺，看似沒(méi)有能量輸入，并且很容易適應(yīng)惡劣的環(huán)境。“作為一個(gè)工程平臺(tái)，他們有許多尚未開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，”Strano補(bǔ)充道。

早在2016年，斯特拉諾的團(tuán)隊(duì)就找到了如何設(shè)計(jì)菠菜植物以在多步驟過(guò)程中檢測(cè)爆炸物。首先，科學(xué)家將傳感器 - 能夠檢測(cè)到地雷中常見(jiàn)的硝基芳族化合物 - 種植到植物的葉子中。然后菠菜通過(guò)根部吸收爆炸性化合物; 當(dāng)化合物移動(dòng)到葉子時(shí)，它會(huì)激活植物的傳感器。傳感器然后發(fā)出熒光信號(hào)，可以從附近的紅外攝像機(jī)看到，該紅外攝像機(jī)連接到計(jì)算機(jī)并且還可以發(fā)送關(guān)于爆炸物的電子郵件警報(bào)。

從那時(shí)起，該團(tuán)隊(duì)已將傳感器向內(nèi)轉(zhuǎn)。新的重點(diǎn)不是測(cè)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(xué)信號(hào)發(fā)出信號(hào)，”斯特拉諾說(shuō)。能夠測(cè)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(cè)干旱等問(wèn)題。其中一個(gè)傳感器位于葉子表面，測(cè)量植物毛孔的開(kāi)口并跟蹤儲(chǔ)存在其中的水。他補(bǔ)充說(shuō)：“我們現(xiàn)在有一些工作要準(zhǔn)備好提交我們?nèi)绾谓忉屵@些信號(hào)并將它們發(fā)送到手機(jī)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(xì)粒度的細(xì)節(jié)以改善生長(zhǎng)過(guò)程，但人們對(duì)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(shè)計(jì)植物以抵抗病蟲(chóng)害，或創(chuàng)造更好的生物燃料。加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)工程師Markita Landry說(shuō)，所有這一切都始于將DNA帶入現(xiàn)有細(xì)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(guò)一片吐司 - 它實(shí)在太松軟了。目前的技術(shù)涉及將DNA置于插入植物中的細(xì)菌內(nèi)或?qū)⑵渖淙爰?xì)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(lái)傳遞DNA，碳納米管本質(zhì)上是剛性非常小的圓柱體。她說(shuō)，這就像將DNA穿到能夠?qū)嶋H通過(guò)并傳遞有效載荷的針上，并且它比其他方法更有效。(結(jié)果發(fā)表在今年早些時(shí)候的Nature Nanotechnology雜志上。)

她的團(tuán)隊(duì)將DNA涂層的碳納米管混合到細(xì)胞培養(yǎng)物中并觀察轉(zhuǎn)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(zhì)表皮層。納米粒子的理想尺寸和剛度仍然存在很多問(wèn)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(zhǔn)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(xué)的其他工作。今年夏天的33周，紐約Cooper Hewitt Smithsonian設(shè)計(jì)博物館將有一個(gè)不同尋常的展示：一個(gè)發(fā)光工廠。這是Strano實(shí)驗(yàn)室于2017年設(shè)計(jì)的下一代植物，通過(guò)將發(fā)光納米顆粒嵌入水田芥中。該團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種開(kāi)關(guān)，可以幫助工廠在白天關(guān)閉并在夜間開(kāi)啟。

目前，這些工廠只能發(fā)光大約四個(gè)小時(shí)，所以它們最適合更換臺(tái)燈。斯特拉諾希望通過(guò)提高亮度和效率，我們可以更大的思考，創(chuàng)造一個(gè)世界，在這個(gè)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(dá)那里之前，仍有許多非?；镜膯?wèn)題。“我們?nèi)匀辉谘芯考{米粒子如何在活植物內(nèi)移動(dòng)和交通，”斯特拉諾說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)也發(fā)表了一篇論文，其中的理論試圖預(yù)測(cè)納米粒子的運(yùn)動(dòng)方式。“基礎(chǔ)科學(xué)正在興起，但我們?nèi)栽跍y(cè)試這一理論的界限，我們?nèi)栽趯⑵鋽U(kuò)展到更廣泛的納米粒子。”

理查森承認(rèn)存在許多重大問(wèn)題，但他們渴望繼續(xù)與MOF和工廠合作。他的團(tuán)隊(duì)還嘗試在MOF中浸泡菊花，發(fā)現(xiàn)這些植物受到太陽(yáng)的破壞比沒(méi)有涂層的花更少，使他認(rèn)為這種材料可以幫助保護(hù)我們可能想要在太空中生長(zhǎng)的植物，那里的輻射很充足。人類(lèi)未來(lái)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(lǐng)域很有可能在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)增長(zhǎng)。