Artykuły

Nanotechnologia i nanomateriały

Dziedzinę nauki zwaną nanotechnologią należy rozumieć jako wyspecjalizowaną, interdyscyplinarną dziedzinę, wykorzystującą najnowocześniejsze zdobycze nauki i techniki. Termin „nanotechnologia” możemy rozbić na dwie części: ,,nano’’ oraz ,,technologia’’. Pierwszy z nich ,,nano’’ stanowi przedrostek jednostki miary, który oznacza mnożnik 10⁻⁹ czyli jednej miliardowej. Natomiast technologię rozumiemy jako zbiór metod i technik, które umożliwiają powstanie danego produktu - nanomateriału.

W świecie naukowym nadal nie powstała ścisła, formalna definicja nanomateriału przyjmuje się jednak, że aby dany materiał mógł zostać nazwany nanomateriałem powinien się charakteryzować dwiema cechami:

• można w nim wyróżnić przynajmniej jeden wymiar z przedziału od 1 do 100 nm.
• właściwości tego materiału są ściśle zależne od rozmiaru. [1]

Istnieje jednak definicja skonstruowana przez Unię Europejską określająca nanomateriał jako: naturalny, powstały przypadkowo lub wytworzony materiał zawierający cząstki w stanie swobodnym lub w formie agregatu bądź aglomeratu, w którym co najmniej 50 % lub więcej cząstek w liczbowym rozkładzie wielkości cząstek ma jeden lub więcej wymiarów w zakresie 1 nm – 100 nm. [2]

Materiał tego typu diametralnie różni się zarówno strukturą, właściwościami chemicznymi, fizycznymi albo biologicznymi w odniesieniu do podstawowego materiału, z którego powstał. [3] jako przykład niech posłuży srebro, które na ogół jest ciągliwym, błyszczącym metalem o temperaturze topnienia 960°C natomiast nanocząstki srebra topią się już w 360°C, a zawieszone w wodzie w zależności od wielkości i kształtu mogą mieć zabarwienie od żółtego do zielonego co obrazuje poniższa grafika. [4]

Możemy podzielić nanomateriały ze względu na wymiar:

• nanomateriały 0D (3 wymiary w skali nano, nanomateriały punktowe tak zwane kropki kwantowe)
• nanomateriały 1D (posiadają 2 wymiary w skali nano, nanowłókna, nanopręty)
• nanomateriały 2D (1 wymiar w skali nano, tworzą warstwy, płaszczyzny)

Kropki kwantowe (obiekty posiadające 3 wymiary w skali nano) mogą być uzyskiwane z metali tj. złoto, srebro lub kadm. Mogą także powstawać z materiału półprzewodnikowego, z krzemu lub germanu i innych. Pod wpływem wiązki promieniowania emitują światło, dodatkowo potrafią absorbować promieniowanie podczerwone oraz cechują się silną luminescencją.

Nanorurki węglowe posiadające 2 wymiary w skali nano są materiałami przypominającymi cylindry o długości do kilkunastu centymetrów i średnicy od jednego do kilku nanometrów. Cechują się twardością porównywalną do diamentu a przy tym są sprężyste, elastyczne i odporne na zgniatanie i zrywanie. Stanowią bardzo dobry przewodnik ciepła.

Grafen jest idealnym przykładem materiału posiadającego tylko 1 wymiar w skali nano. Tworzy płaską strukturę pierścieni zbudowanych z atomów węgla ułożonych w sześciokąty (struktura plastra miodu). Pojedyncza warstwa tak ułożonych atomów węgla przejawia niezwykłe właściwości takie jak wyjątkowo niski opór elektryczny, bardzo dobrą przewodność cieplną oraz jest praktycznie przezroczysta.

Ze względu na swoje niecodzienne właściwości nanomateriały znalazły zastosowanie w wielu branżach takich jak:

• rolnictwo, gdzie nanocząstki są używane jako nośnik opóźniający uwalnianie całej gamy związków chemicznych stosowanych w nowoczesnych gospodarstwach. Wśród nich są pestycydy czy regulatory wzrostu roślin. Właściwości te wynikają z wyjątkowo dużej powierzchni jaką posiadają nanocząsteczki w stosunku do swojej niskiej masy co sprawia, że doskonale nadają się jako materiały sorpcyjne czy filtracyjne.

• W branży kosmetycznej obserwuje się trend wypierania środków konserwujących (np. benzoesanu sodowego) na rzecz nanocząstek srebra i miedzi, które posiadają właściwości odpowiednio bakterio i grzybobójcze. Te dwa związki są często stosowane w środkach do higieny jamy ustnej, gdzie przeciwdziałają powstawaniu stanów zapalnych. Popularne stają się także nanokapsułki zawierające substancje biologiczne czynne zawarte w kremach np. enkapsulowane witaminy, wszystko w celu poprawy przenikania tych związków przez skórę, aby mogły silniej działać. Nanocząstki więc wpływają na zwiększenie skuteczności kosmetycznych substancji czynnych i poprawę ich bioprzyswajalności mogą stanowić też alternatywę tradycyjnych środków konserwujących.

• W medycynie nanocząstki znajdują szerokie zastosowanie przy produkcji opatrunków ze względu na cenne wspomniane już wcześniej właściwości przeciwgrzybiczne i przeciwbakteryjne nanocząstek nanomiedzi i nanosrebra. Dodatkowo projektuje się nowoczesne aplikatory leków na bazie nanorurek dostarczające leki do określonych komórek – mogą to być komórki nowotworowe przez co koncentracja leku będzie największa tam gdzie jest on najbardziej potrzebny. W dalekiej przyszłości planowane jest skonstruowanie miniaturowych nanorobotów – nanitów. Dzięki nim możliwa byłaby naprawa uszkodzonych komórek i odbudowa organizmu. [5]

GMO

    Rozwinięcie skrótu GMO ,,Genetically Modified Organism’’ oznacza organizm zmodyfikowany genetycznie. Genom takiego organizmu został zmodyfikowany w laboratorium w celu nadania mu pożądanych przez nas cech fizjologicznych lub wytwarzaniu pożądanych produktów biologicznych. [6] Jeśli genom został zmodyfikowany wprowadzeniem do niego obcego DNA można go także nazwać organizmem transgenicznym.

Można wyróżnić wiele metod, dzięki którym możliwe jest uzyskanie takiego organizmu. Wszystkie są jak na razie kosztowne, wymagają specjalistycznej wiedzy i sprzętu – trwają jednak poszukiwania nowych sposobów, które mogłyby w większym stopniu upowszechnić tę technologię.

 

Metody bezpośrednie

Metody te bazują na bezpośrednim umieszczeniu DNA jakie chcemy wszczepić do komórki roślinnej. Większość wymaga usunięcia ściany komórki roślinnej, aby umożliwić przejście obcego DNA. Sam materiał genetyczny wprowadza się za pomocą:

• PEG-ów (glikolu etylenowego), który chwilowo zaburza strukturę błony komórkowej przez co staje się ona bardziej przepuszczalna.
• Użycie prądu elektrycznego (elektroporacja), impulsy elektryczne powodują powstanie porów w błonie komórkowej.
• Działo genowe (ang. gene gun) dosłownie wstrzeliwuje obce DNA osadzone na kulkach ze złota lub wolframu o wielkości 0,5-5 µm niewątpliwą zaletą metody jest brak konieczności usuwania wcześniej ściany komórkowej co przyspiesza całą procedurę. [7]

Metody pośrednie

Metoda opiera się na wykorzystaniu unikalnych właściwości bakterii glebowych, dzięki którym możliwy jest transfer genów do uszkodzonej komórki roślinnej. Do bakterii tego typu zalicza się szczepy z rodzaju Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium rhizogenez, czy Agrobacterium vitus. Posiadają one umiejętność do genetycznej kolonizacji roślin poprzez wprowadzenie fragmentu swojego plazmidowego DNA do genomu rośliny. Możliwe jest więc wcześniejsze wprowadzenie do bakterii DNA jakie zamierzamy umieścić w roślinie. Tak spreparowaną bakterię pozostawia się na pewien czas, aby wprowadzone DNA mogło ulec namnożeniu. [7] Ostatnią czynnością jest lekkie uszkodzenie rośliny, aby wytworzyły się specyficzne związki fenolowe, które stanowią drogowskaz dla bakterii. Po wykryciu uszkodzonego fragmentu rośliny bakteria wytwarza wiele białek, które w efekcie umożliwiają przeniesienie jej wewnętrznego DNA do jądra komórki roślinnej, gdzie później realizuje ono swoją funkcję. [8]

Uzyskiwanie roślin emitujących światło

Nanojeżowce ze złota

    Su Yen-hsun z Instytutu Fizyki na National Cheng Kung University, odkrył, że wszczepienie nanocząstek złota w osobliwym kształcie jeżowców (inaczej nanogwiazd) do rośliny Bakopy karolińskiej powoduje emisję światła czerwonego przez chlorofil zawarty w jej liściach. Autor publikacji po odkryciu tego zjawiska za zadanie postawił sobie opracowanie tańszego typu naturalnego oświetlenia, które będzie mniej szkodliwe dla ludzi niż obecnie stosowane masowo energooszczędne diody elektroluminescencyjne. Jedną z wad tego typu oświetlenia jest wysoka cena.

Nanocząstki złota w tej formie są wysoce kompatybilne z organizmami biologicznymi, ale niestety wytwarzane światło jest wciąż niewystarczające do praktycznych zastosowań, takich jak oświetlenie ulic. Na tym etapie badań światło może być obserwowane jedynie za pomocą czujników fotoelektrycznych.

Yen-hsun uważa, że za sprawą rozwoju technologii bio-LED w przyszłości drzewa będą mogły zastąpić lampy uliczne i oświetlać miasta. [9]

Poprzez modyfikacje genetyczne – transfer genów za pomocą bakterii glebowej Agrobacterium tumefaciens

Międzynarodowy zespół naukowy badający zagadnienie kodowania bioluminescencji na zlecenie rosyjskiej firmy Planta LLC. stworzył świecącą roślinę tytoniu szlachetnego. W opublikowanej w 2020 roku pracy przedstawiono transfer czterech genów z wykorzystaniem bakterii glebowych Agrobacterium tumefaciens. Rośliny emitowały światło poprzez ekspresję enzymów cyklu 2 kwasu kawowego pochodzących z grzyba Neonothopanus nambi. Proces ten jest napędzany przez aktywność czterech enzymów, do których należą lucyferaza Luz, syntaza hispidyny (HispS) i hispidyny-3-hydroksylazy (H3H) oraz  enzymu  hydrolazy pirogronianu kawoinylu (CPH). Transgeniczne rośliny z ekspresją tych genów były zdolne emitować światło w każdej z faz rozwojowych, bez potrzeby dostarczania substratów z zewnątrz, a światło było nikłe choć zauważalne. Możliwe było jego uchwycenie na szczegółowych zdjęciach wykonanych za pomocą aparatów, a nawet smartfonów przy czasach ekspozycji z przedziału 5-30 sekund. Porównując zawartość chlorofilu i karotenoidów, czas kwitnienia i kiełkowania nasion rośliny transgenicznie nie różniły się od swoich niemodyfikowanych odpowiedników. Oznacza to, że metoda transferu genów grzybowych za pomocą bakterii glebowych nie wpłynęła niekorzystnie na funkcje życiowe rośliny. [10]

Nanobioniczne rośliny

Nanobionika roślin stanowi dosyć nową dziedzinę badań, dzięki której mamy możliwość dodania roślinom nowych cech poprzez wprowadzenie do nich różnego rodzaju nanocząstek. Jednym z pionierów w tego typu badaniach jest Laboratorium Strano zrzeszające naukowców z MIT. Ich celem jest stworzenie roślin w ten sposób, aby mogły one przejąć wiele funkcji, które są wykonywane obecnie przez urządzenia elektryczne.  Jednym z ich wcześniejszych projektów są rośliny, które mogą wykrywać materiały wybuchowe i tę informację przekazać smartfonowi oraz inne rośliny, mogące monitorować warunki otoczenia, takie jak niedobór wody oraz to, kiedy roślina zaczyna odczuwać warunki suszy. [11]

Pierwsza generacja

    W roku 2017 zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology pod przewodnictwem profesora Strano zaprezentował roślinę, która emituje światło przez określony czas. W tym celu wykorzystano ten sam mechanizm jakiego używają świetliki i bioluminescencyjne algi – czyli utlenianie lucyferyny z użyciem lucyferazy i koenzymu A. Zespół wykorzystał trzy różne nanocząstki jako nośnika dla substratów reakcji, dzięki której uzyskiwane jest światło. Nanocząstki zostały wykonane z materiałów, które Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków klasyfikuje jako ,,ogólnie uznane za bezpieczne", pomagają każdemu składnikowi dotrzeć do właściwej części rośliny i przeciwdziałają osiągnięciu zabójczego stężenia, które może być toksyczne dla roślin.

Wykorzystano nanocząstki krzemionki o średnicy około 10 nanometrów do przenoszenia enzymu lucyferazy oraz cząstki PLGA (kopolimer polikaktydu PLA oraz poliglikolidu PGA) i chitozanu będące nośnikami lucyferyny oraz koenzymu A. Aby wprowadzić cząstki do roślin w pierwszym etapie zawieszono je w wodzie. Następnie rośliny zanurzono w uzyskanym roztworze i poddano działaniu wysokiego ciśnienia, co pozwoliło cząsteczkom dostać się do liści.

Początkowo uzyskano rośliny, które mogły świecić przez około 45 minut, późniejsze eksperymenty sprawiły, że wynik ten udało się poprawić do 3,5 godziny. W przypadku umieszczenia przez nanocząstek w liściach rukwi wodnej uzyskano efekt emisji słabego światła przez aż cztery godziny. [11]

Druga generacja

            W 2021 roku ten sam zespół zaprezentowali roślinę emitującą światło, która może być ładowana przez diodę LED. Wystarczy 10 sekund ładowania rośliny, aby ta emitowała przez kilka minut światło. Proces jest powtarzalny. W porównaniu do pierwszej generacji światło emitowane przez rośliny jest 10 razy jaśniejsze. Użyto, jak nazwali go twórcy tak zwanego „kondensatora fotonowego”. Kondensator jest częścią obwodu elektrycznego z możliwością przechowywania energii elektrycznej i uwalniania jej w razie potrzeby. W przypadku świecących roślin kondensator fotonowy może być użyty do przechowywania światła, a następnie stopniowego uwalniania go w czasie.

W celu stworzenia wyżej opisanego kondensatora fotonowego, naukowcy wykorzystali  nowoczesny luminofor - glinian strontu. Przed osadzeniem ich w roślinach, badacze pokryli cząstki krzemionką, która chroni roślinę przed uszkodzeniem.

Cząstki o średnicy kilkuset nanometrów mogą być wprowadzane do roślin przez stomaty (są to małe pory znajdujące się na powierzchni liści, aparaty szparkowe kontrolujące wymianę gazową między rośliną, a otoczeniem). Cząsteczki gromadzą się w gąbczastej warstwie zwanej mezofilem, gdzie tworzą cienki film.

Film ten może absorbować fotony zarówno ze światła słonecznego, jak i z diody LED. Wykazano doświadczalnie, że 10 sekundowe naświetlanie niebieską diodą LED powoduje późniejszą emisję światło przez około godzinę. Obecnie trwają prace nad połączeniem obu opisanych wcześniej generacji roślin świecących w nadziei, że połączenie tych dwóch technologii pozwoli na uzyskanie roślin, które będą w stanie wytwarzać jeszcze jaśniejsze światło, przez dłuższy czas. [12]

Podsumowanie

Istnieje wiele metod modyfikacji roślin tak aby możliwe było uzyskanie efektu emisji światła. Każda z opisanych metod ma wady jak i zalety. Metody transgeniczne wykazały obiecujące rezultaty w postaci ciągłej, długotrwałej emisji światła jak miało to miejsce w przypadku tytoniu szlachetnego zmodyfikowanego przez Planta LLC. Emisja światła przebiega samoczynnie bez dostarczania substratów roślinie. Niestety Planta jest firmą prywatną i nie podaje do wiadomości publicznej zestawienia kosztów produkcji swoich transgenicznych roślin, można jednak wnioskować, że tego typu niszowe bioluminescencyjne modyfikacje roślin są kosztowne.

Zastosowanie nanotechnologii natomiast w przypadku fotoluminescencji nanostruktur z metali szlachetnych o kształtach jeżowców wymaga dalszych badań z dziedziny mechaniki kwantowej, przez co ogranicza ich zastosowanie. Emisja światła, może być obserwowane jedynie za pomocą bardzo czułych czujników fotoelektrycznych. Najlepsze rezultaty uzyskano poprzez wszczepienie do roślin nanocząstek glinianu strontu. Proces emisji światła wymaga jedynie krótkiego naświetlania diodą LED. Badania te mają duży potencjał ze względu dużą emisję światła oraz niski koszt w stosunku do produkcji roślin transgenicznych. Wszystkie z wyżej wymienionych eksperymentów wymagają jednak dalszego udoskonalania, aby mogły zastąpić oświetlenie domowe jak i miejskie w przyszłości. W następnym artykule zostaną opisane pozostałe projekty mniej lub bardziej skomercjalizowane. Autorom tych rozwiązań przyświecał ten sam cel, którym jest uniezależnienie się od elektryczności w sferze oświetleniowej.