Учёные Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) научили шпинат находить взрывчатку и оповещать об этом по электронной почте. Новая разработка — пример «бионики», соединения биологии и технологии. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials.
Созданные исследователями растения распознают нитроароматические соединения, которые часто используют при производстве мин и взрывчатки. Когда эти вещества попадают в грунтовые воды, встроенные в листья углеродные нанотрубки испускают флуоресцентный сигнал, который можно «считать» с помощью инфракрасной камеры. Соединённый с ней карманный компьютер посылает оповещение по электронной почте.
Два года назад, профессор МТИ Майкл Страно (Michael Strano) и его коллеги научили резуховидку Таля (Arabidópsis thaliána) распознавать окись азота с помощью наночастиц. Страно утверждает, что растения идеально приспособлены к мониторингу окружения, поскольку естественным образом собирают информацию о внешней среде. «Растения — очень хорошие химики-аналитики, — говорит он. — Они имеют обширную корневую систему, постоянно берут пробы грунтовых вод и способны самостоятельно транспортировать эту влагу наверх, к листьям». В ходе предыдущих исследований учёные разработали углеродные нанотрубки, которые регистрируют перекись водорода, тринитротолуол (ТНТ), нервно-паралитический газ зарин и другие химические соединения. Когда таргетная молекула связывается с полимером на поверхности такой нанотрубки, трубка изменяет интенсивность флуоресценции.
В ходе нового исследования Страно и его коллеги вживили в листья шпината специальные углеродные нанотрубки — датчики нитроароматических соединений. Их поместили в мезофилл листа — основную ткань между верхним и нижним слоями эпидермиса, где расположены клетки, синтезирующие хлорофилл. Когда растение впитывает из грунтовых вод таргетные молекулы, сенсоры испускают флуоресцентный сигнал. Второй вид имплантированных в ткань углеродных нанотрубок флуоресцирует независимо от наличия взрывчатых веществ. Сравнивая сигналы, можно понять, зарегистрировал ли датчик нитроароматические соединения. Перенос таргетных молекул в листья занимает около десяти минут.
Чтобы считать сигнал, нужно направить на лист лазерный луч — тогда нанотрубки переизлучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Его можно зарегистрировать с помощью небольшой инфракрасной камеры, соединённой с карманным компьютером Raspberry Pi или с помощью смартфона, из которого удалён ИК-фильтр.
Учёные также создали шпинат, который реагирует на дофамин — этот гормон влияет на рост корней. Теперь они работают над созданием новых датчиков, которые могли бы регистрировать соединения, которые растения используют для передачи информации внутри тканей. «Растения очень чувствительны к изменениям окружающей среды. Они знают о том, что начинается засуха задолго до нас. Они могут зарегистрировать небольшие изменения свойств грунта и потенциала почвенной влаги. Если мы получим доступ к этим сигнальным путям, то почерпнём огромное количество информации», — говорит Страно.