Plantas nanobiónicas podrían aumentar producción de energía

 

Foto: GRC.

Un equipo de investigadores del MIT (Instituto de Tecnología de Massachussetts) quiere crear plantas biónicas con nanomateriales que podrían aumentar su producción de energía y darles funciones completamente nuevas.

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 TÉCNICA

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.