Вибуховий шпинат і м’ясні бобові: як вчені використовують рослини для нанотехнологій

19 апреля, 2018

Рослини в житті людини мають величезне значення. В основному рослини задовольняють основні потреби в їжі, одязі, ліках та житлі. Але корисні властивості рослин вивчені ще не в достатній мірі, і з кожним роком вчені в усьому світі відкривають все нові і унікальні їх властивості.

Нещодавно вчені придумали новий метод виявлення вибухових речовин за допомогою такої рослини, як шпинат. Інженери Масачусетського технологічного інституту впровадили в листя шпинату нанотрубки завдяки чому рослина перетворилася на датчик, який може виявляти вибухові речовини. Всю інформацію така рослина–датчик може передавати на кишеньковий пристрій. Подібна інженерна електронна система має назву «рослинна нанобіоника». Ціль нанобіоники рослин є впровадження в рослину наночасток, які нададуть їй не притамані функції. У цьому випадку шпинат виявить хімічні сполуки – нітроароматики, які використовуються в мінах та інших вибухових пристроях. Якщо одна з таких хімічних речовин присутня у ґрунтових водах, що природним чином вбирає рослина, вуглецеві нанотрубки у листях випромінюють флуоресцентний сигнал, який можна зчитувати за допомогою інфрачервоної камери. Ця камера з’єднана з комп’ютером, який в свою чергу висилає користувачу електронного листа з повідомленням. Раніше вченими цього університету наночастки були використані для підвищення здатності фотосинтезу рослин та для перетворення рослин у датчики для виявлення оксиду азоту, забруднюючої речовини, що утворюється при згорянні.

Здатність рослин вбирати та аналізувати воду може також бути використана в фіторемедіації – комплексу методів очищення стічних вод, ґрунтів та атмосферного повітря з використанням зелених рослин. Забруднювачі грунту, що розчинені в воді, яку поглинула рослина, накопичується у листях. Потім рослину можна видалити разом із забруднювачем. Такий метод використовують для детоксикації ґрунтів від миш’яку та свинцю. Для видалення ртуті використовують рослини, що перетворюють забруднювач у летючу форму в процесі транспірації. Проходячи через ксилему у бік листя, ртуть перетворюється на нетоксичну форму та випаровується до атмосфери. Найбільш відомими рослинами для видалення металів є Гірчиця Сарепська, або салатна (Brassica juncea, syn. Sinapis juncea L.) (Pb, Zn, Cd, Ni, Cu, 90Sr), Гібіскус (hibiscus) або китайська троянда (Co, Se), Гречка посівна, або звичайна (Fagopyrum sagittatum gilib.) (Ni), Соняшник однорічний (Heliánthus ánnuus) (90Sr, U, 137Cs) та багато інших.

Гібіскус (hibiscus) або китайська троянда

Гірчиця Сарепська, або салатна (Brassica juncea, syn. Sinapis juncea L.)

Гречка посівна, або звичайна (Fagopyrum sagittatum gilib.)

Соняшник однорічний (Heliánthus ánnuus)

Але на жаль, рослини не завжди використовувалися у мирних цілях. У 1845 році, не зважаючи на протест своєї дружини, Крістіан Шенбейн, проводячи експеримент на кухні, пролив суміш концентрованих кислот. Для того, щоб прибрати цей безлад, експериментатор використав фартух своєї дружини. Після застосування фартух було наспіх вимито та повішено над плитою для подальшого висихання. Але в процесі бавовняний фартух вибухнув. Мимоволі Шейнбейн перетворив бавовну фартуха на нітроцелюлозу. Целюлоза є основною структурною складовою рослин. ЇЇ достатньо легко отримати, а нітроцелюлоза є більш потужною ніж порох. Тому вона замінила порох для багатьох цілей у XIX столітті. Сьогодні нітроцелюлоза використовується для військового застосування, оскільки вона не створює диму, який би видавав положення пускової установки при її згорянні.

Нітроцелюлоза та інші рослинні полісахариди були одними з перших «пластмас». Наприклад, кіноплівка з нітроцелюлози могла вибухнути, якщо перегріється. Згодом цю нестабільну речовину було замінено на більш безпечну пластмасу. Але й сьогодні рідину, в який розчинена нітроцелюлоза, використовують у медицині для забарвлення та ущільнення розрізів. Потенціал рослини дуже великий, вона виробляє численні біополімери. Зараз актуальним є питання пошуку екологічно чистих та стійких матеріалів, що можуть замінити пластик. Можливо потрібно розглянути такий варіант заміни, як використання рослин.

Що стосується їжі, то рослини не мають білків гемоглобіну та міоглобіну, які є у червоному м’ясі. Але деякі рослини містять дуже схожу речовину, яка називається леггемоглобін, який подібно гемоглобіну та міоглобіну активно поглинає кисень (виявив фінський вчений А. І. Віртанен). Такий процес відбувається у кореневих бульбах бобових рослин, що утворюються при впроваджені в корінь азотфіксуючих бактерій. Леггемоглобін використовують для виробництва штучного м’яса, але замість виділення цієї речовини з рослин, його отримують способом ферментації дріжджів. Гени, що відповідають за виробництво в сої леггемоглобіну, «підсадили» штаму дріжджів Pichia pastoris, які в біотехнологіях застосовують для синтезу білків. Отриману масу підгодовували живильним розчином і на виході отримали леггемоглобін вже в промислових обсягах.

Крім того, вони реконструювали запах м’яса, використовуючи рослинні аналоги. З 2016 року штучна яловичина з’явилася у закладах американського громадського харчування, при чому бургери з таким м’ясом коштують у два рази дорожче ніж з натуральною яловичиною. Виробник «штучного м’яса» Impossible отримав $ 75 млн від найбагатших людей планети — Білла Гейтса і Лі Кашина, а також кількох інвестиційних фондів.

З впевненістю можна сказати, що в наш час рослини використовують не тільки для виробництва одягу або як їжу, але й як частину складних технологій. Сучасна комп’ютерна наука стоїть на порозі впровадження у практику біокомп’ютерів, які можливо будуть використовувати корисні властивості рослин. Широке застосування штучних матеріалів, розчинів, добрив та інших речовин призвело до великих проблем з екологією, причому екологічні проблеми повстають у масштабах всього світу. Тому вирішувати проблеми поновлення навколишнього середовища можливо та необхідно у тому числі й за допомогою рослин.

Текст: Євгенія Ткачова

Новости по теме

| | | | | | |