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葉綠體的升級版?光合作用更佳化的奈米管葉綠體

葉綠體(chloroplasts)是如何完成它們神奇的工作呢?植物胞器吸收來自太陽的光能,將光能轉變為化學能,最終將化學能像積木般累積起來後,用來合成葡萄糖,做為植物能量的來源,同時這些植物也為動物提供能量。

雖然葉綠體可如煉金術般,合成出許多能量,但它就像所有其他的胞器,這些葉綠體,畢竟都是小小的機器。現在看來,為了提供更有效率的生產,他們理當要進行升級改造。

研究人員正使用的近紅外顯微鏡來讀取嵌入在阿拉伯芥植物中的碳納米管傳感器的輸出。

研究人員正使用的近紅外顯微鏡來讀取嵌入在阿拉伯芥植物中的碳納米管傳感器的輸出。(Photo Credit: Bryce Vickmark)

發表在Nature Materials的一篇論文上提到,在美國麻省理工學院的化學工程師們發現,當注射單壁碳奈米管(single-walled carbon nanotubes,SWNTs)於葉綠體之後,可以誘導出比一般情況更有效的光合作用,包含增加三倍光合活性(photosynthetic activity),提高最大電子傳遞速率(maximum electron transport rates)。

光合作用的第一階段,俗稱「光反應」,包括色素的激發與多個光系統間的電子連續傳遞。研究人員使用電子流當作光合作用速率的測量,結果發現,碳奈米管可以增加49%的電子流。

葉綠素(Chlorophyll)是普遍存在於葉綠體內的一種色素,只能吸收介於400~500奈米和600~700奈米範圍的光線--僅佔光線中的一小部分,進入植物內。雖然研究人員無法提出解釋為何碳奈米管可以提高葉綠體的效率,團隊推論可能碳奈米管使得植物的可吸收的光譜範圍變寬。因為單壁碳奈米管已知可以吸收光源中的紫外線,可見光和近紅外光譜。

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麻省理工學院的工程師寫道:「提高光合作用效率,可能需要增加吸收太陽能光的吸收範圍,尤其是近紅外光譜範圍內,因為近紅外光能夠更深的穿透到生物體。」而他們最成功的一項報告是將葉綠體從植物中移除後,讓碳奈米管直接注入胞器內。

在另一項實驗中,研究人員試圖找到一種方法將碳奈米管傳遞到活的植物體內。為了做到這一點,他們開發出一種新的技術叫做脂質交換滲透膜(lipid exchange envelope penetration)。基本上,他們利用水溶液相的奈米管,透過葉下表面的氣孔吸收,而且在碳奈米管加上帶負電荷的DNA,讓通過葉綠體脂質膜的可能性提升。當他們導入這種技術在活的植物體內後,發現葉綠體接收僅比正常增加30%的光合作用效率,但這種傳輸技術已經算是一種新的突破。

根據此原理,研究人員正著手將植物細胞包覆一種可保護不受光的照射而產生有害影響的顆粒物質,並改用另一種已證明對一氧化氮敏感的碳奈米管。有了這樣的技術,化學工程師將來可開發出利用植物作為汙染源檢測的技術。事實上,研究人員相信他們的工作成就,已建立了一個全新的領域,叫做植物奈米仿生(plant nanobionics)。

資料來源:

  1. Bionically Enhanced Chloroplasts Boost Photosynthesis and Spawn a New Field. IEEE [March 17, 2014]
  2. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials [March 21, 2014]

關於作者

PanSci兼任編輯|Finding Neverland 擁有科學夢的謎樣女性(?) 小時看十萬個為什麼,長大唸了生醫領域碩班, 正職養貓,興趣多元。 個性古靈精怪,樂於分享著迷的事物,收藏奧妙的小東西。 夢想有一天能對人類社會和醫學有所貢獻。