Primeros pasos para las plantas nanobiónicas

En un nuevo artículo de 'Nature Materials', los investigadores  informan de aumentar la capacidad de las plantas para capturar  energía de la luz en un 30 por ciento mediante la incorporación de  nanotubos de carbono en el cloroplasto, el orgánulo de la planta  donde se realiza la fotosíntesis.

Estos representan los primeros pasos para poner en marcha un campo  científico que los investigadores han denominado "Nanobiónica en   vegetales".

"Las plantas son muy atractivas como una plataforma de  tecnología", dice Michael Strano, profesor de Ingeniería Química y  director del equipo de investigación del MIT . "Se reparan, son  ambientalmente estables, sobreviven en ambientes hostiles, y  proporcionan su propia fuente de alimentación y distribución de  agua".

Strano y el autor principal del artículo, el biólogo vegetal Juan  Pablo Giraldo, prevén convertir las plantas en dispositivos fotónicos  con alimentación propia en dispositivos detectores de explosivos o  armas químicas. Los investigadores también están trabajando en la  incorporación de dispositivos electrónicos en plantas. "El potencial  es realmente interminable", dice Strano .

La idea de las plantas nanobionicas surgió de un proyecto en el  laboratorio de Strano para construir células solares con  auto-reparación siguiendo el modelo de las células vegetales. Como  siguiente paso, los investigadores querían probar la mejora de la  función fotosintética de cloroplastos aislados de las plantas, para  su posible uso en células solares.

Los cloroplastos albergan toda la maquinaria necesaria para la  fotosíntesis, que tiene lugar en dos etapas. Durante la primera  etapa, pigmentos como la clorofila absorben la luz, que excita los  electrones que fluyen a través de las membranas tilacoides de los  cloroplastos. La planta capta esta energía eléctrica y la utiliza  para alimentar la segunda etapa de la fotosíntesis: la producción de  azúcares.

Los cloroplastos pueden seguir realizando estas reacciones cuando  se extraen de las plantas, pero después de unas horas comienzan a  descomponerse debido a la luz y el oxígeno, dañando las proteínas  fotosintéticas. Por lo general, las plantas pueden reparar por  completo este tipo de daño, pero los cloroplastos extraidos no pueden  hacerlo por sí mismos.

Para prolongar la productividad de los cloroplastos, los  investigadores les encajan nanopartículas de óxido de cerio , también  conocidos como nanoceria. Estas partículas son muy antioxidantes muy  fuertes que eliminan los radicales de oxígeno y otras moléculas  altamente reactivas producidas por la luz y el oxígeno, protegiendo a  los cloroplastos de los daños. 

NUEVA TECNICA

Los investigadores aplicaron nanoceria en los cloroplastos  utilizando una nueva técnica llamada LEEP (lipide exchange envelope  penetration). Envolver las partículas en el ácido poliacrílico , una  molécula altamente cargada, permite que las partículas penetren en  las membranas hidrófobas que rodean a los cloroplastos. En estos  cloroplastos , los niveles de moléculas perjudiciales cayeron  dramáticamente.

Usando la misma técnica, los investigadores también incrustaron  nanotubos de carbono semiconductores, recubiertos en el ADN cargado  negativamente, en los cloroplastos. Las plantas típicamente hacen uso  de sólo alrededor del 10 por ciento de la luz solar disponible, pero  los nanotubos de carbono pueden actuar como antenas artificiales que  permiten a los cloroplastos capturar longitudes de onda de luz no en  su rango normal, tales como ultravioleta, verde, y en el infrarrojo  cercano.

Con los nanotubos de carbono actuando como un "fotoabsorbente  protésico", la actividad fotosintética - medida por la tasa de flujo  de electrones a través de las membranas tilacoides - fue un 49 por  ciento mayor que en los cloroplastos aislados sin nanotubos  incrustados. Cuando nanoceria y nanotubos de carbono fueron aplicados  de forma conjunta, los cloroplastos se mantuvieron activos durante  unas horas extras.

Luego, los investigadores recurrieron a las plantas vivas y  utilizaron una técnica llamada perfusión vascular para introducir  nanopartículas en Arabidopsis thaliana, una pequeña planta con  flores. Usando este método, los investigadores aplicaron una solución  de nanopartículas a la cara inferior de la hoja, donde penetró en  pequeños poros conocidos como estomas, que normalmente permiten que  el dióxido de carbono fluya hacia dentro y el oxígeno fluya hacia  fuera.

En estas plantas, los nanotubos se movieron en el cloroplasto  y aumentaron el flujo de electrones fotosintéticos en un 30 por  ciento.