可用于从储气药物输送到传感化合物等各种物质

莲花在JJ Richardson在墨尔本的公寓外的喷泉中生长。有一天，墨尔本大学的化学工程师Richardson在走过时注意到这些花，并认为这些喜爱水的植物将是一个新研究项目的完美之处：教授植物检测危险化学品。

理查森不是植物生物学家。大多数时候，他研究金属有机骨架(或MOF)，这是一种类似水晶的纳米材料，可用于从储气，药物输送到传感化合物等各种物质。Richardson拥有哲学本科学位和系统工程硕士学位，长期以来一直对“生命和逼真的材料”感兴趣，并在阅读2015年科学进展论文后对植物的可能性产生了兴趣，研究人员在该论文中展示了创建电子学的方法。工厂内的电路。诀窍是将植物放入特定的解决方案中，让植物自身的内部结构吸收电路材料，类似于放置在染料中的白玫瑰如何吸收颜色，将其变成蓝色，粉红色或彩虹色调。

对于他们的实验，“我们实际上在工厂内种植了MOF，而不是使用预先形成的材料，”Richardson说，他今天在佛罗里达州奥兰多举行的美国化学学会会议上介绍了这项研究。该团队将MOF成分(如金属盐)放入水溶液中，然后将莲花放入该溶液中。莲花吸收了溶液，并在血管系统内生长出不同类型的荧光MOF。这些新设计的植物在置于丙酮中时荧光较少，表明它们能够检测到有毒化学物质的存在。

根据理查森的说法，有一天，机场的工厂有助于感知化学品的存在。考虑到MOF仍然很昂贵并且莲花研究是一个原理验证实验，这不会很快发生。尽管如此，它还是植物纳米生物学领域的另一个进入，或者是将纳米结构植入植物中以教导它们从监视器干旱到取代路灯的所有工作。

麻省理工学院的化学工程师，工厂纳米生物学的先驱之一迈克尔斯特拉诺说：“我们早就应该把植物作为技术的起点。” 植物从太阳中收集自己的能量并将其作为燃料存储，这意味着它们就像是太阳能电池和电池的组合。他们自我修理，可以在空中抽水数百英尺，看似没有能量输入，并且很容易适应恶劣的环境。“作为一个工程平台，他们有许多尚未开发的优势，”Strano补充道。

早在2016年，斯特拉诺的团队就找到了如何设计菠菜植物以在多步骤过程中检测爆炸物。首先，科学家将传感器 - 能够检测到地雷中常见的硝基芳族化合物 - 种植到植物的叶子中。然后菠菜通过根部吸收爆炸性化合物; 当化合物移动到叶子时，它会激活植物的传感器。传感器然后发出荧光信号，可以从附近的红外摄像机看到，该红外摄像机连接到计算机并且还可以发送关于爆炸物的电子邮件警报。

从那时起，该团队已将传感器向内转。新的重点不是测量地下水中的爆炸物，而是看到植物本身正在发生的事情。“植物在其环境中收集信息，并在内部用化学信号发出信号，”斯特拉诺说。能够测量这些变化可以告诉我们植物是多么渴，并帮助解决水利用，作物健康和监测干旱等问题。其中一个传感器位于叶子表面，测量植物毛孔的开口并跟踪储存在其中的水。他补充说：“我们现在有一些工作要准备好提交我们如何解释这些信号并将它们发送到手机上。” 下一步将是连接传感器，这意味着“将工厂连接到互联网”。

农民和农业工人有兴趣获得更细粒度的细节以改善生长过程，但人们对植物本身的基因工程很感兴趣。想象一下，使光合作用更有效，或设计植物以抵抗病虫害，或创造更好的生物燃料。加州大学伯克利分校的化学工程师Markita Landry说，所有这一切都始于将DNA带入现有细胞。

DNA本身并不具备必要的刚性。兰德里将其描述为试图将煮熟的针头推过一片吐司 - 它实在太松软了。目前的技术涉及将DNA置于插入植物中的细菌内或将其射入细胞中。这两种方法都经常失败，这是兰德里的工作所在。她的想法是使用碳纳米管来传递DNA，碳纳米管本质上是刚性非常小的圆柱体。她说，这就像将DNA穿到能够实际通过并传递有效载荷的针上，并且它比其他方法更有效。(结果发表在今年早些时候的Nature Nanotechnology杂志上。)

她的团队将DNA涂层的碳纳米管混合到细胞培养物中并观察转化，例如DNA的去向和作用。在其他情况下，他们将从注射器中取出针头并用纳米颗粒溶液戳出植物的蜡质表皮层。纳米粒子的理想尺寸和刚度仍然存在很多问题，迄今为止的研究主要集中在将DNA带入植物中。下一步是弄清楚如何将它准确地送到最有用的地方。

兰德里的研究工作在分子水平上，但在肉眼可以很容易地看到植物纳米生物学的其他工作。今年夏天的33周，纽约Cooper Hewitt Smithsonian设计博物馆将有一个不同寻常的展示：一个发光工厂。这是Strano实验室于2017年设计的下一代植物，通过将发光纳米颗粒嵌入水田芥中。该团队正在开发一种开关，可以帮助工厂在白天关闭并在夜间开启。

目前，这些工厂只能发光大约四个小时，所以它们最适合更换台灯。斯特拉诺希望通过提高亮度和效率，我们可以更大的思考，创造一个世界，在这个世界里，自给自足的离网工厂可以取代街道照明。

然而，在我们到达那里之前，仍有许多非常基本的问题。“我们仍然在研究纳米粒子如何在活植物内移动和交通，”斯特拉诺说，他的团队也发表了一篇论文，其中的理论试图预测纳米粒子的运动方式。“基础科学正在兴起，但我们仍在测试这一理论的界限，我们仍在将其扩展到更广泛的纳米粒子。”

理查森承认存在许多重大问题，但他们渴望继续与MOF和工厂合作。他的团队还尝试在MOF中浸泡菊花，发现这些植物受到太阳的破坏比没有涂层的花更少，使他认为这种材料可以帮助保护我们可能想要在太空中生长的植物，那里的辐射很充足。人类未来的任何地方，植物很可能就在我们身边。正如最近的研究表明，这一基于植物的创新领域很有可能在未来很长一段时间内继续增长。