Investigadores del MIT (Instituto de Tecnológico de Massachussetts) están desarrollando plantas biónicas con nanomateriales capaces de aumentar su producción de energía, así como darles funciones completamente nuevas como su incorporación en diferentes dispositivos electrónicos.
En el experimento los científicos incorporaron a los cloroplastos de las plantas (orgánulos donde se realiza la fotosíntesis) nanotubos de carbono.
Con estos nanotubos han conseguido ya, por una parte, aumentar en un 30% la capacidad de los vegetales de obtener energía a partir la luz. Por otra, han convertido a una planta concreta en detectora de un gas contaminante como el óxido nítrico (NO), producido por automóviles y plantas de energía.
Este gas puede convertirse en ácido nítrico en el aire, y generar la temida lluvia ácida. Además el NO es en parte responsables del agujero de la capa de ozono, y tiene un efecto para con la radiación solar doble, pues en la baja atmósfera contribuye al calentamiento global y en la alta al oscurecimiento global.
Según los investigadores, estos primeros pasos abren un nuevo campo científico, al que han denominado “nanobiónica vegetal”. “Las plantas son muy atractivas como plataforma tecnológica”, afirma Michael Strano, director del equipo de investigación del MIT, en un comunicado del centro. “Se autorreparan, son ambientalmente estables, sobreviven en entornos hostiles, y cuentan con una fuente de nutrición y distribución del agua propias”. Su potencial “es realmente interminable”.
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, 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 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.
Los investigadores aplicaron nanoceria en los cloroplastos utilizando una nueva técnica llamada LEEP (lipide exchange envelope penetration). Envolviendo las partículas en el ácido poliacrílico, una molécula altamente cargada, que permite que las partículas penetren en las membranas hidrófobas que rodean a los cloroplastos. En estos cloroplasto, 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% 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 que no están en su rango normal, tales como ultravioleta y en el infrarrojo cercano.
Luego, los investigadores recurrieron a las plantas vivas y utilizaron una técnica llamada perfusión vascular para introducir nanopartículas en la 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%.
Arabidopsis thaliana
Convirtiendo la Arabidopsis thaliana en un sensor de sustancias químicas, simplemente introduciendo en sus cloroplastos nanotubos de carbono detectores del óxido nítrico. Demostrando que los nanotubos de carbono podrían servir en un futuro para fabricar sensores que detecten a tiempo real, a nivel de una sola partícula, radicales libres o indicadores moleculares que se encuentren a muy bajas concentraciones, y resulten difíciles de detectar.
Los investigadores esperan así desarrollar plantas que podrían utilizarse para controlar la contaminación del medio ambiente, y no sólo por óxido nítrico: pesticidas, hongos o toxinas bacterianas también podrían registrarse con estos vegetales biónicos.
Ahora mismo, trabajan además en la incorporación en las plantas de otro tipo de nanomateriales, como el grafeno, para descubrir hasta dónde puede llegar la nanobiónica de los vegetales.
Referencia: Nature