Stel je voor dat in plaats van dat je het licht moet aandoen wanneer het donker wordt, je kunt lezen bij het licht van een lichtgevende plant op je bureau.
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een belangrijke eerste stap gezet om dit te realiseren. Door speciale nanodeeltjes in de bladeren van een waterkers te integreren, gaven de planten bijna vier uur zwak licht. Door verdere optimalisatie hopen de onderzoekers dat dit soort planten ooit sterk genoeg zullen zijn om een werkruimte te verlichten.
Volgens een van de onderzoekers Michael Strano is het energiemetabolisme van de plant de motor die de energie levert voor het licht. Behalve als bureaulamp zouden, dromen de onderzoekers, aldus gemanipuleerde planten bijvoorbeeld ook als straatverlichting kunnen dienen.
Video: Melanie Gonick/MIT
Nanobionische planten
Plantennanobionica is een nieuw onderzoeksgebied ontwikkeld door het laboratorium van Strano. Het heeft als doel planten nieuwe eigenschappen te geven door verschillende soorten nanodeeltjes te integreren. Hierdoor zouden planten veel van de functies over kunnen nemen die nu door elektrische apparaten worden uitgevoerd. Zo werden er eerder planten ontworpen die explosieven kunnen detecteren en die informatie naar een smartphone verzenden, evenals planten die droogteniveaus kunnen bewaken.
Licht, goed voor ongeveer 20% van het wereldwijde energieverbruik, leek een logisch volgend streven. Strano: "Planten kunnen zichzelf repareren, ze hebben hun eigen energie en ze zijn al aangepast aan de buitenomgeving. We denken dat dit een idee is waarvoor de tijd is gekomen. Het is een perfecte uitdaging voor plantennanobionica."
Om lichtgevende planten te creëren, gebruikt het MIT-team luciferase, het enzym waardoor vuurvliegjes licht afgeven. Luciferase reageert op een molecuul dat luciferine heet, waardoor het licht uitstraalt. Een ander molecuul, co-enzym A, verwijdert een bijproduct van de reactie dat de lucifercase-activiteit kan afremmen.
Elk van deze drie componenten werd door het MIT-team verpakt in een ander type nanodeeltje. Deze nanodeeltjes, die allemaal zijn gemaakt van materialen die de Amerikaanse Food and Drug Administration classificeert als ‘in principe veilig’, helpen elk bestanddeel naar het juiste deel van de plant te komen. Ze voorkomen ook dat de componenten concentraties bereiken die giftig kunnen zijn voor de planten.
Aan het begin van het project leverden de eerste inspanningen van de onderzoekers planten op die ongeveer 45 minuten licht afgaven. Ondertussen is dit 3,5 uur. Het licht gegenereerd door een waterkerszaailing van 10 cm is momenteel ongeveer een duizendste van wat nodig is om te lezen. De onderzoekers geloven dat ze de intensiteit kunnen versterken en de lichtduur verlengen door de werking van de componenten verder te optimaliseren.
Verlichting van een boek (‘Paradise Lost’, van John Milton) met de nanobionische lichtgevende planten (twee waterkersen van 3,5 week). Het boek en de planten werden voor reflecterend papier geplaatst om het effect van de lichtgevende planten op de boekpagina's te vergroten. Afbeelding: Seon-Yeong Kwak
Plantentransformatie
Eerdere pogingen om lichtgevende planten te creëren bestonden uit het genetisch modificeren van planten om het lucifercase-gen te genereren, maar dit is een bewerkelijk proces dat slechts zwak licht oplevert. Die studies werden gedaan met tabaksplanten en Arabidopsis thaliana, veel voor plantengenetica gebruikte planten. De door het laboratorium van Strano ontwikkelde methode kan echter op elk type plant worden gebruikt. Naast waterkers hebben ze dit tot nu toe aangetoond met rucola, boerenkool en spinazie.
In de toekomst hopen de onderzoekers een manier te ontwikkelen om de nanodeeltjes op plantenbladeren te schilderen of spuiten, waardoor mogelijk bomen en andere grote planten in lichtbronnen kunnen worden omgezet.
Strano: "Ons doel is om één behandeling uit te voeren wanneer de plant een zaailing of een volgroeide plant is, die de hele levensduur van de plant behouden blijft. Ons werk opent de deur naar straatlantaarns die niets anders zijn dan behandelde bomen en naar indirecte verlichting rond huizen."
De onderzoekers hebben ook aangetoond dat ze het licht kunnen uitschakelen door nanodeeltjes toe te voegen met een lucifercaseremmer. Hierdoor zou het volgens de onderzoekers mogelijk worden om uiteindelijk planten te creëren die hun licht uitschakelen in reactie op omgevingsomstandigheden zoals zonlicht.
Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse Ministerie van Energie.