Шпинат научили «чуять» взрывчатку

С помощью нанотрубок обычный шпинат можно превратить в чувствительнейший химический датчик.

Когда мы слышим о модифицированных растениях, то в большинстве случаев речь идёт о генетических модификациях: в геном вставляют (или изменяют) какой-нибудь ген, чтобы усилить некие полезные свойства растения – например, чтобы придать ему большую устойчивость к вредителям. Но генетические манипуляции – не единственный путь растительной биоинженерии.

Два года назад Майкл Страно (Michael S. Strano) и его коллеги из Массачусетского технологического института сообщили, что им удалось улучшить эффективность фотосинтеза у растений Arabidopsis thaliana: раствор углеродных нанотрубок, покрытых ДНК (здесь ДНК играла роль оболочки, а не носителя генетической информации), вводили в листья с нижней стороны.

Наночастицы служили чем-то вроде «фотопротезов» – как известно, фотосинтетические пигменты растений ловят не все световые волны, и энергия, заключённая в волнах определённой длины, в фотосинтезе не используется. И углеродные нанотрубки как раз стали антеннами для световых волн, обычно недоступных для фотосинтетических систем.

Энергия света нужна для того, чтобы выбить электрон из молекулы-светоуловителя и отправить его в путешествие по молекулам-переносчикам, которые сидят в мембранах хлоропластов – органов фотосинтеза растительной клетки. Поток электронов в мембране генерирует энергию, которая идёт на синтез углеводов.

Как писали авторы работы в своей статье в Nature Materials, благодаря углеродным нанотрубкам фотосинтетический электронный поток возрастал на 30% (хотя для того, чтобы оценить эффективность фотосинтеза в целом, хорошо было бы также измерить и поглощение углекислого газа, и выделение кислорода).

Однако подобные нанотрубки могут быть разными. С их помощью можно заставить растения, например, чувствовать оксид азота (NO), который, хотя и выполняет в организме множество полезных функций, может оказаться довольно токсичным, и потому рассматривается как один из основных загрязнителей воздуха.

Также растения можно запрограммировать на обнаружение нервнопаралитического газа зарина, тринитротолуола, пероксида водорода, причём преимущество растительных детекторов будет в том, что они способны чувствовать эти вещества в очень и очень небольших концентрациях, трудноуловимых с помощью обычных методов.

В новой статье в Nature Materials те же исследователи описывают наномодифицированный шпинат, который чувствует нитроароматические соединения, используемые в создании фугасных зарядов и прочих взрывающихся штук. (Шпинат выбрали для того, чтобы продемонстрировать, что метод нанотрубок можно использовать с разными видами, а не только с A. thaliana.)

Взрывчатка, оказавшаяся в земле, поступает с водой в растение, где взаимодействует со специальными нанотрубками в листьях. Затем остаётся облучить лист лазером, чтобы получить от наночастиц ответный флуоресцентный сигнал в околоинфракрасной области. Сигнал этот можно считать с помощью небольшой и вполне дешёвой камеры, или даже с помощью обычного смартфона, если снять с него инфракрасный фильтр.

Чтобы понять, что флуоресцентное свечение – не просто фоновый эффект, что вода, поступившая в шпинат, действительно содержит взрывчатые вещества, в растение вводят дополнительные нанотрубки, которые при обучении лазером светят, не обращая внимания на взрывчатку, и с которыми можно сравнивать светимость трубок-детекторов.

Растения, как мы сказали, способны «почуять» нужные вещества в очень маленьких концентрациях, и при том довольно быстро – спустя 10 минут после того, как нитроароматические соединении оказались в земле, модифицированный шпинат уже о них «докладывал» с помощью своих нанотрубок. Правда, пока что «сигнал тревоги» можно обнаружить на расстоянии, не превышающем всего лишь один метр, однако исследователи надеются, что им удастся увеличить эту дистанцию.

В принципе у таких бионических растений есть большие перспективы, и не только в экологии – очевидно, что помощью нанодатчиков мы можем поглубже заглянуть в их биохимию, физиологию, молекулярную генетику.

С другой стороны, сами датчики можно совершенствовать и совершенствовать, превращая их в сложно устроенные электронные устройства, связанные со всемирной сетью – любители антиутопий здесь могут нафантазировать, что в будущем за нами будут следить уже не видеокамеры ноутбуков и не смартфоны, а заглядывающие в окно тополя и клёны.