植物具有许多有价值的功能。它们既可作为食品和燃料，又可释放出供人类呼吸的氧气，还为人类生活环境增添美丽的景观。如今麻省理工大学（MIT）的研究人员希望通过纳米材料来扩充植物的功能，增加它们的能量产生或附予它们全新的功能，例如监测环境污染等。
在这篇发表在最新一期《自然材料》的论文中，报道了科研人员通过在叶绿体中植入碳纳米管，将植物获取光能的能力提升30%的重大成果。他们还运用其他类型的碳纳米管使植物可用于探测一氧化氮气体，并由此开创了一个崭新的科学领域——“纳米仿生学”。
1.增强光合作用
纳米仿生植物这一理念来源于Strano实验室的一个以植物细胞为模版建设自修复太阳能电池的研究项目。研究人员尝试加强从植物中分离出的叶绿体的光合作用，用于太阳能电池。
叶绿体具有所有光合作用的机能，可分为两个阶段。在第一阶段，色素如叶绿素吸收光能，它可刺激电子在叶绿体的类囊体膜中流动。植物获取这些电能并为光合作用第二阶段供能，形成糖类。
从植物中取出的叶绿体在几小时内还有这些功能，但过后它们因光和氧气对光合作用蛋白质的损害而开始分解。通常植物可以完全修复这种损伤，但提取后的叶绿体不能自行修复。
为了延长叶绿体的生产能力，研究人员把二氧化铈纳米粒子（又名nanoceria）嵌入到它们中间。这些粒子具有非常强的抗氧化作用，它们可以清除由光和氧产生的氧自由基和其他高反应分子，保护叶绿体不受损害。
研究人员将纳米粒子植入叶绿体时运用了他们开发的一种名为脂质交换封存穿透（简称LEEP）的新技术。将粒子包裹在一种高带电分子聚丙烯酸中，使粒子穿透叶绿体周围的脂质疏水膜。在这些叶绿体中，分子损害水平大大降低。
运用同样的输送技术，研究人员还把半导体碳纳米管包裹在带负电荷的DNA中植入叶绿体。植物通常仅能利用照射阳光的10%，但碳纳米管可以象人造天线一样使叶绿体捕获不在它们光波长范围的光能，例如紫外线、绿色光和近红外线。碳纳米管作为“光合吸收器假体”进行光合作用，测量通过类囊体的电流率发现比未包裹纳米管的提取叶绿体要高49%。
研究人员接着尝试运用血管注入（vascularinfusion）技术向活体植物拟南芥中注入纳米粒子。运用该方法，研究人员将纳米粒子溶液注入到叶面下面，穿刺到气孔的小孔结构中，这些小孔通常是二氧化碳流入和氧气流出的孔道。在这些植物中，纳米管移入到叶绿体中，激发约30%的光合作用电流。
2.了解绿色机理
Strano实验室的研究人员以前曾为许多不同的化合物开发过纳米管传感器，包括过氧化氢、TNT炸药、神经沙林毒气等。当目标分子与被聚合物包裹的纳米管连接后，它将改变管的荧光。
通过为不同目标物选配适宜的传感器，研究人员希望开发出可用于监测环境污染、虫害、真菌感染或细菌毒性的植物。他们正在着手合并电子纳米材料，例如将石墨烯加入到植物中。
