LED照明“過時(shí)”了,科學(xué)家研究植物發(fā)光

作者 | 發(fā)布日期 2019 年 05 月 23 日 14:20 | 分類 產(chǎn)業(yè)

想象一下,天黑的時(shí)候,你可以通過書桌上的發(fā)光植物來進(jìn)行閱讀,而不是打開一盞燈,這是什么樣的體驗(yàn)?

麻省理工學(xué)院(MIT)工程師在實(shí)現(xiàn)這一愿景的過程中邁出了關(guān)鍵的第一步。工程師將特殊納米粒子植入到水田芥的葉子中,誘導(dǎo)水田芥發(fā)出微光近四個(gè)小時(shí)。他們相信,通過進(jìn)一步優(yōu)化,這種發(fā)光植物有一天將足夠照亮一個(gè)工作空間。

MIT化學(xué)工程教授、這項(xiàng)研究的資深作者邁克爾·斯特拉諾(Michael Strano)表示,他們的設(shè)想是制造一棵能夠當(dāng)做臺(tái)燈使用的植物—不需要接通電源,光源最終來自于作物本身的能量代謝。

研究員稱,這項(xiàng)技術(shù)還可以用來提供低強(qiáng)度室內(nèi)照明,或?qū)淠巨D(zhuǎn)變?yōu)樽怨╇娐窡簟?/span>

斯特拉諾表示,照明約占全球能源消耗的20%,而植物能夠自我修復(fù),擁有自己的能量,而且已經(jīng)適應(yīng)了外部環(huán)境。他們認(rèn)為,時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

斯特拉諾實(shí)驗(yàn)室開創(chuàng)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域叫植物納米仿生學(xué)(Plant nanobionics),旨在通過將不同類型的納米粒子植入植物以賦予植物新的特征。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是改造植物來取代由電氣裝置提供的許多功能。此前,研究員設(shè)計(jì)了能夠監(jiān)測(cè)出爆炸品并將信息傳達(dá)給智能手機(jī)的植物,還設(shè)計(jì)了能夠監(jiān)測(cè)干旱狀況的植物。

據(jù)悉,熒光素酶(luciferase)是一種使螢火蟲發(fā)光的酶。為了制造發(fā)光植物,MIT團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向使用這種酶。熒光素酶作用于一種叫熒光素(luciferin)的分子,能夠使熒光素發(fā)光。另一種叫做輔酶A(co-enzyme A)的分子則可以通過去除可抑制熒光素酶活性的反應(yīng)副產(chǎn)物來幫助實(shí)現(xiàn)發(fā)光的過程。

研究團(tuán)隊(duì)將這三種成分分別包裝在不同類型的納米粒子載體中。這些納米粒子全部由美國(guó)食品和藥物管理局(the U.S. Food and Drug Administration)歸類為“通常被認(rèn)為是安全的”的材料制成,可幫助每個(gè)成分到達(dá)植物的正確部位。納米粒子還可以防止這些成分達(dá)到可能對(duì)植物產(chǎn)生毒素的濃度。

研究員使用直徑約10納米的二氧化硅(silica nanoparticles)納米粒子來攜帶熒光素酶,再分別使用稍大一點(diǎn)的聚合物PLGA(polymers PLGA)和殼聚糖粒子(chitosan)來攜帶熒光素和輔酶A。為了讓這些粒子進(jìn)入植物葉片,研究員首先將這些粒子懸浮于溶液中,然后把植物浸泡在溶液里,再將其暴露在高壓下,使這些粒子通過微小孔隙(氣孔,stomata)進(jìn)入葉子。

釋放熒光素和輔酶A的粒子積聚在葉肉的細(xì)胞外空間(即葉子的內(nèi)層),而攜帶熒光素酶的小粒子則進(jìn)入構(gòu)成葉肉的細(xì)胞中。PLGA粒子逐漸釋放出熒光素后,熒光素進(jìn)入植物細(xì)胞,而熒光素酶在細(xì)胞里進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),使熒光素發(fā)光。

最初,研究團(tuán)隊(duì)制造的植物發(fā)光約45分鐘,經(jīng)改進(jìn),發(fā)光時(shí)間增加到3.5小時(shí)。雖然一棵10厘米的水田芥幼苗產(chǎn)生的光是目前閱讀所需光照含量的千分之一,但研究員相信,通過進(jìn)一步優(yōu)化各成分的濃度和釋放速率,可以增加發(fā)光量,并延長(zhǎng)發(fā)光時(shí)間。

此前,制造發(fā)光植物依賴于基因工程植物,但這是一個(gè)麻煩的過程,且發(fā)出的光非常微弱。并且,這些研究都是在煙草和擬南芥(Arabidopsis thaliana)上進(jìn)行的,它們常用于植物遺傳研究。然而,MIT研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的方法可以用于任何類型的植物。目前,除了水田芥,他們已經(jīng)用芝麻菜、甘藍(lán)和菠菜證明了這一點(diǎn)。

未來,MIT希望研發(fā)出一種方法,將納米粒子涂或噴在植物葉子上,以此來把樹木和其他大型植物轉(zhuǎn)化為光源。

斯特拉諾表示,他們打算在當(dāng)植物是幼苗或成熟植株時(shí)就進(jìn)行一次技術(shù)處理,并使其在植物的整個(gè)生命周期持續(xù)發(fā)揮作用。

該研究團(tuán)隊(duì)還展示了通過添加攜帶熒光素抑制劑的納米粒子來關(guān)閉光源,這幫助他們創(chuàng)造能夠根據(jù)環(huán)境條件(如太陽光)的變化而關(guān)閉光源的植物。

據(jù)悉,該研究獲得美國(guó)能源部(the U.S. Department of Energy)的資金支持。(來源:MIT;編譯:LEDinside Janice)

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