Hoe alomtegenwoordige kleine deeltjes schadelijk worden in planten

Een nieuwe door UC Riverside geleide studie laat zien hoe vaak door de natuur geproduceerde kleine deeltjes evenals menselijke activiteiten kunnen transformeren bij het betreden van plantencellen en het vermogen van planten om zonlicht in voedsel te veranderen, verzwakken. De ontdekking biedt een pad om dit probleem te beheersen.

Motor verbranding en productie, natuurlijke processen zoals bosbranden en vulkanische uitbarstingen geven allemaal nanodeeltjes uit, die duizenden keren kleiner zijn dan de breedte van een menselijk haar.

Geavanceerde nanodeeltjes worden ook bestudeerd op veelbelovend gebruik in landbouw en biobrandstoffen. Ze kunnen precies pesticiden of voedingsstoffen aan planten leveren, beschermen tegen droogte of warmte en zelfs als kleine sensoren dienen om de gezondheid van de planten te volgen.

“De helft van alle meststoffen die op boerderijen worden toegepast, gaat verloren in het milieu en vervuilt grondwater. Met de meest gebruikte pesticiden is het nog erger – slechts 5% kan hun beoogde doelen bereiken. Er is veel ruimte voor verbetering,” zei Juan Pablo Giraldo, universitair hoofddocent plantenbiologie bij UCR.

Veel wetenschappers beweren dat nanodeeltjes essentieel zijn om te voldoen aan de stijgende wereldwijde voedselbehoeften. Maar er is een vangst.

De studie gepubliceerd in Natuurnanotechnologie laat zien dat deeltjes in planten kunnen transformeren op manieren die de fotosynthese interfereren, het proces waardoor planten zonlicht in hun voedsel veranderen.

“Nanodeeltjes, zowel natuurlijk als antropogeen, zijn gangbaar in veel van de ecosystemen van de aarde, maar wetenschappers beginnen pas recent te begrijpen hoe ze omgaan met verschillende delen van het milieu,” zei Lin, adjunct -directeur van de US National Science Foundation (NSF) Divisie Chemie.

Geleid door Giraldo en zijn Ph.D. Student Christopher Castillo, het onderzoeksteam, ontdekte dat de nanodeeltjes tijdens het binnenkomen van plantencellen veranderingen in pH ondergaan en lipide -coatings uit plantenmembranen ophalen. Deze transformatie verhoogt hun vermogen om te binden aan Rubisco, het eiwit dat fotosynthese initieert.

“De lipide-coaten van positief geladen nanodeeltjes verbeteren hun binding aan Rubisco en sta niet toe dat het zijn werk heel goed doet,” zei Giraldo.

Rubisco stelt planten en algen in staat kooldioxide te absorberen en om te zetten in suikers die de groei van de brandstof. Het is misschien wel het meest voorkomende eiwit op aarde en staat centraal in de voedselketen.

Omdat het de impact van nanodeeltjestransformaties op de Rubisco-functie wil begrijpen, begon het team aan een meerjarig onderzoek.

Medewerkers kwamen van de Santa Clara University, de Universiteit van Illinois, Johns Hopkins University en het Connecticut Agricultural Experiment Station en UCR, met steun van het NSF Center for Sustainable Nanotechnology.

Het team heeft gemeten hoeveel koolstofdioxide wordt overgenomen door Arabidopsis -bladeren, wat een indicator is voor Rubisco -activiteit. Terwijl de nanodeeltjes weinig impact vertoonden in een testbuis met Rubisco, verminderden ze, zodra ze transformaties in levende plantencellen ondergaan, drievoudig de activiteit van het eiwit verminderden.

“Dit is de eerste keer dat we het effect van een nanodeeltje op een eiwit zowel buiten als in een levende plantencel hebben kunnen vergelijken,” zei Giraldo. “Tot nu toe hadden we niet de tools om deze veranderingen in de eiwitfunctie te vergelijken.”

Eerder vroeg de groep zich af of de positieve lading van de nanodeeltjes de eiwitfunctie zou kunnen beïnvloeden. “Nu weten we dat het niet noodzakelijkerwijs de aanklacht is, maar de transformatie die ze ondergaan terwijl ze planten betreden, en mogelijk ook andere organismen,” zei Giraldo. Het team is de eerste die deze ontdekking doet.

Het multidisciplinaire karakter van het team was een groot aanwinst. “We brengen elk complementaire technieken binnen die diepere inzichten mogelijk maken in een complex systeem zoals een plantencel,” zei Rigoberto Hernandez, studeerco-auteur en professor in de universiteit van Johns Hopkins University.

“Met behulp van computersimulaties die een weergave van de structuur en beweging op microscopische schalen bieden, hebben we opgelost hoe lipiden worden verkregen door nanodeeltjes in aanwezigheid van Rubisco,” zei Hernandez.

Onderzoekers vragen om een ​​beter begrip van chemische transformaties veroorzaakt door nanodeeltjes in organismen. Nanodeeltjes blijven aantrekkelijk voor landbouw en biobrandstoffen omdat ze kunnen worden ontworpen om zowel biocompatibel als biologisch afbreekbaar te zijn. Nu kunnen ze ook beter worden gemaakt voor planten.

“Via het NSF Center for Sustainable Nanotechnology hebben onderzoekers uit verschillende takken van chemie en milieuwetenschappen samengewerkt om een ​​nieuw begrip te produceren van hoe nanodeeltjes transformeren en interageren met een eiwit dat betrokken is bij de fotosynthese van planten,” zei hij. “Daarbij hebben ze de basis gelegd voor het veiliger en effectievere gebruik van nanodeeltjes voor toepassingen in de landbouw en biotechnologie.”

“Deze mijlpaalstudie vertelt ons dat we nog een lange weg te gaan hebben om nanodeeltjes te maken die echt gunstig zijn in het milieu”, zegt Catherine Murphy, studeert co-auteur en chemieprofessor aan de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois.

“Maar nu we het werkingsmechanisme kennen, kunnen we onze methoden opnieuw afstemmen om deze problemen op te lossen,” zei Murphy.