Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing

光合作用 叶绿体 电子传输链 碳纳米管 生物物理学 材料科学 纳米技术 细胞器 化学 生物 生物化学 基因
作者
Juan Pablo Giraldo,Markita P. Landry,Sean M. Faltermeier,Thomas P. McNicholas,Nicole M. Iverson,Ardemis A. Boghossian,Nigel F. Reuel,Andrew J. Hilmer,Fatih Şen,Jacqueline A. Brew,Michael S. Strano
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:13 (4): 400-408 被引量:1136
标识
DOI:10.1038/nmat3890
摘要

The interface between plant organelles and non-biological nanostructures has the potential to impart organelles with new and enhanced functions. Here, we show that single-walled carbon nanotubes (SWNTs) passively transport and irreversibly localize within the lipid envelope of extracted plant chloroplasts, promote over three times higher photosynthetic activity than that of controls, and enhance maximum electron transport rates. The SWNT–chloroplast assemblies also enable higher rates of leaf electron transport in vivo through a mechanism consistent with augmented photoabsorption. Concentrations of reactive oxygen species inside extracted chloroplasts are significantly suppressed by delivering poly(acrylic acid)–nanoceria or SWNT–nanoceria complexes. Moreover, we show that SWNTs enable near-infrared fluorescence monitoring of nitric oxide both ex vivo and in vivo, thus demonstrating that a plant can be augmented to function as a photonic chemical sensor. Nanobionics engineering of plant function may contribute to the development of biomimetic materials for light-harvesting and biochemical detection with regenerative properties and enhanced efficiency. Imparting non-native functions to living plants using nanoparticles opens the possibility of creating synthetic materials that can grow and repair themselves using sunlight, water and carbon dioxide. It is now shown that, both in plant extracts and living leaves, carbon nanotubes traverse and localize within the lipid envelope of plant chloroplasts, enhance their photosynthetic activity, and enable near-infrared fluorescence monitoring of nitric oxide.
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