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用纳米仿生发光植物（两个3.5周龄的豆瓣植物）照亮了一本书（约翰·米尔顿（John Milton）写的《失乐园》（Paradise Lost）。将书和发光的豆瓣植物放置在反射纸的前面，以增加从发光的植物到书页的影响。图像：郭善英
想象一下，不用在天黑时打开灯，而是可以在桌上的发光植物的光线下阅读。
麻省理工学院的工程师朝着实现这一愿景迈出了关键的第一步。通过将特殊的纳米粒子嵌入豆瓣植物的叶子中，他们诱导植物发出昏暗的光线近四个小时。他们相信，通过进一步优化，这样的植物一天将足够明亮以照亮工作区。
Carbon P的迈克尔·斯特拉诺（Michael Strano）表示：“我们的愿景是制造一种能够用作台灯的植物-无需插入灯。这种灯最终将由植物本身的能量代谢提供动力。”麻省理工学院化学工程的Dubbs教授和该研究的资深作者。
研究人员说，该技术还可用于提供低强度的室内照明，或将树木转变为自供电的路灯。
麻省理工学院的博士后Seon-Yeong Kwak是这项研究的主要作者，该研究发表在《 Nano Letters》杂志上。
纳米仿生植物
Strano实验室开创的一个新的研究领域是植物纳米仿生学，旨在通过将植物嵌入到不同类型的纳米颗粒中来赋予植物新颖的功能。该小组的目标是设计工厂，以接管现在由电气设备执行的许多功能。研究人员以前设计了可以检测爆炸物并将信息传达到智能手机的植物，以及可以监测干旱状况的植物。
照明约占全球能源消耗的20％，似乎是一个合理的下一个目标。Strano说：“植物可以自我修复，有自己的能量，并且已经适应室外环境。”“我们认为这是一个时机已到的想法。对于植物纳米仿生来说，这是一个完美的问题。”
为了创造出发光的植物，麻省理工学院的研究小组转向了萤光素酶，这种萤火虫可以使萤火虫发光。萤光素酶作用于称为萤光素的分子，使其发光。另一种称为辅酶A的分子通过去除可以抑制萤光素酶活性的反应副产物来帮助整个过程。
麻省理工学院的团队将这三种成分的每一种都包装到了不同类型的纳米颗粒载体中。纳米粒子全部由美国食品药品监督管理局（U.S. Food and Drug Administration）分类为“通常被认为是安全的”材料制成，可帮助每种成分到达植物的正确部位。它们还防止成分达到可能对植物有毒的浓度。
研究人员使用直径约10纳米的二氧化硅纳米粒子来承载荧光素酶，他们分别使用稍大些的聚合物PLGA和壳聚糖来承载荧光素和辅酶A。为了使颗粒进入植物的叶子，研究人员首先将颗粒悬浮在溶液中。将植物浸入溶液中，然后暴露于高压下，使颗粒通过称为气孔的细孔进入叶片。
释放萤光素和辅酶A的颗粒被设计成在叶肉的细胞外空间（叶的内层）中积累，而携带萤光素酶的较小颗粒进入组成叶肉的细胞。PLGA颗粒逐渐释放萤光素，然后进入植物细胞，在那里萤光素酶执行使萤光素发光的化学反应。
研究人员在项目开始时的早期努力产生了可以发光约45分钟的植物，此后它们提高到了3.5小时。目前，一棵10厘米的豆瓣幼苗产生的光大约是阅读所需光量的千分之一，但研究人员认为，通过进一步优化浓度和释放量，它们可以增强发出的光以及光的持续时间。组件的比率。
植物转化
先前创建发光植物的努力依赖于基因工程植物来表达萤光素酶的基因，但这是一个费力的过程，会产生极其暗淡的光。这些研究是针对通常用于植物遗传研究的烟草植物和拟南芥进行的。但是，由Strano实验室开发的方法可用于任何类型的工厂。到目前为止，除了豆瓣菜，他们还用芝麻菜，羽衣甘蓝和菠菜进行了证明。
对于该技术的未来版本，研究人员希望开发一种将纳米粒子涂刷或喷涂到植物叶片上的方法，这有可能将树木和其他大型植物转化为光源。
Strano说：“我们的目标是在植物是幼苗或成熟植物时进行一种处理，并使其在植物的整个生命周期中都能持续使用。”“我们的工作非常认真，为只有经过处理的树木的路灯打开了大门，并为房屋周围的间接照明打开了大门。”
研究人员还证明，他们可以通过添加带有萤光素酶抑制剂的纳米粒子来关灯。研究人员说，这有可能使他们最终创造出能够响应诸如阳光之类的环境条件而关闭其光发射的植物。
该研究由美国能源部资助。
出版物：Seon-Yeong Kwak等人，“一种纳米生物发光工厂”，Nano Lett。，2017年，17（12），第7951–7961页； DOI：10.1021 / acs.nanolett.7b04369
