Plantas productoras de energía y detectoras de contaminantes ambientales con nanotecnología

En un nuevo artículo publicado en Nature Materials, investigadores informan que han logrado 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 organelo de la planta donde se realiza la fotosíntesis. No solo están usando otro tipo de nanotubo de carbono, sino que también modifican las plantas para detectar gases contaminantes.

Estos son los primeros pasos para poner en marcha un nuevo campo científico que los investigadores han denominado "Nanobiónica vegetal".

La idea de plantas nanobiónicas surgió de un proyecto de laboratorio pensado para construir células solares que se auto-reparen 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 tales como clorofila absorben la luz, que excita los electrones que fluyen a través de las membranas de los cloroplastos. La planta capta esta energía eléctrica y la utiliza para alimentar la segunda etapa de la fotosíntesis, la construcción de azúcares.

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

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

Los investigadores colocaron nanoceria en los cloroplastos utilizando una nueva técnica, mediante la cual envuelven las partículas con una molécula, altamente cargada, que penetra las membranas que rodea a los cloroplastos. Luego, se observó en estos cloroplastos que 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 alrededor del 10 por ciento de la luz solar disponible para ellos, pero los nanotubos de carbono pueden actuar como antenas artificiales que permiten a los cloroplastos capturar longitudes de onda de luz más allá de su rango normal, tales como ultravioleta, verde, y el infrarrojo.

Se observó que los nanotubos de carbono incrementaron la actividad fotosintética en un 49 por ciento mayor que en los cloroplastos aislados sin nanotubos. Cuando incrustaron nanoceria y nanotubos de carbono, los cloroplastos se mantuvieron activos durante unas horas extras.

Luego, los investigadores recurrieron a la Arabidopsis thaliana, una pequeña planta con flores, a la cual insertaron las nanopartículas; estos penetraron a través de pequeños poros conocidos como estomas, que normalmente permiten que el dióxido de carbono y el oxígeno fluyan hacia fuera. En estas plantas, los nanotubos aumentaron el flujo de electrones fotosintéticos en un 30 por ciento.

Sin embargo, falta conocer como el flujo de electrones adicionales influye en la producción de azúcar de las plantas, afirman los investigadores.

Detectores de contaminantes ambientales

Los investigadores también demostraron que podían convertir a la planta Arabidopsis thaliana en sensores químicos mediante la incrustación de nanotubos de carbono que detectan un contaminante ambiental producido por la combustión.

Mediante la adaptación de los sensores para diferentes objetivos, los investigadores esperan desarrollar plantas que podrían ser utilizadas para controlar la contaminación del medio ambiente, los pesticidas, las infecciones por hongos o exposición a toxinas bacterianas. También están trabajando en la incorporación de nanomateriales electrónicos, como el grafeno, en plantas, informaron los científicos.