人間にとって植物は様々な重要な機能を持っている。食料や燃料を供給し、私たちが呼吸する酸素を吐き出し、環境に彩りを添えてくれる。MITの研究チームは、Cal Techや、トルコのDumlupinar Universityとの共同研究で、ナノ材料を使って植物のエネルギー生産を強化したり、環境汚染物質のモニターなどまったく新しい機能を持たせたりなど植物をさらに有用なものに作り替える研究を進めている。
2014年3月16日付「Nature Materials」誌オンライン版に掲載された研究論文では、植物が光合成を行う葉緑体と呼ばれる細胞小器官にカーボン・ナノチューブを埋め込むことで光エネルギー捕捉量を30%強化する実験を報告している。また、少し違ったタイプのカーボン・ナノチューブを使って、酸化窒素ガスを検出するように植物を作り替えることができた。これらは、研究者が「植物ナノ生物工学」と呼んでいる科学分野への第一歩を象徴している。MITでChemical EngineeringのCarbon P. Dubbs Professorを務め、研究チームを指導するDr. Michael Stranoは、「技術のプラットフォームとして植物は非常に魅力的だ。植物は組織修復力が強く、環境に対して安定な外皮を持っており、苛酷な環境でも生き延びることができる。また、それ自身でエネルギー源と水分配給系を持っている」と述べている。
Dr. Stranoと、この論文の筆頭著者で植物生物学ポスドク研究者のDr. Juan Pablo Giraldoは、植物を作り替え、爆発物や化学兵器を検知する自己駆動型光通信装置にする可能性を考えている。また、電子装置を植物に組み込むことも考えており、Dr. Stranoは、「可能性は無限だ」と述べている。ナノ生物工学植物のアイデアは、Dr. Stranoのラボで植物細胞をモデルにした自己修復型太陽光電池開発のプロジェクトから生まれた。次の段階として、研究チームは植物から葉緑体を分離し、太陽電池として利用できる可能性を探るため、光合成機能の強化を図った。
葉緑体には光合成に必要なすべての素子が揃っており、光合成そのものは2段階の反応を経て行われる。第一段階では葉緑素などの色素が光を吸収する。それによって電子が励起され、葉緑体のチラコイド膜を電子が流れる。植物はこの電気エネルギーを捉え、光合成の第二段階である糖生成を行うのである。
葉緑体は植物から分離してもしばらくは光合成反応を続けられるが、光と酸素が光合成タンパクを損傷するため、何時間かすると葉緑体も劣化し始める。植物はこの損傷を完全に修復することができるが、植物から取り出されてしまった葉緑体には自己修復能力がない。葉緑体の生産活動を長引かせるため、研究チームは、ナノセリアとも呼ばれる酸化セリウムのナノ粒子を葉緑体に埋め込んだ。
この粒子は非常に強力な抗酸化物質で、酸素ラジカルや光と酸素がつくり出す非常に反応性の高い物質などを捕捉し、葉緑体を損傷から守ってくれる。研究チームは、自分たちで開発した脂質交換外皮透過法 (LEEP) と呼ばれるテクニックでナノセリアを葉緑体に送り込んだ。このテクニックは、ナノセリアを高い電荷を帯びたポリアクリル酸に包み、葉緑体を取り巻いている疎水性脂肪膜を浸透させるという方法である。
このテクニックで葉緑体中の損傷化分子のレベルが極端に下がった。
さらに同じ浸透法を用い、半導体性のあるカーボン・ナノチューブを負電荷を帯びたDNAで覆い、葉緑体に送り込むことができた。一般的に植物は受けた太陽光の約10%程度しか利用することができないが、カーボン・ナノチューブは一種のアンテナの役割を果たし、葉緑体が通常の利用できる光の波長帯域だけでなく、紫外線、緑から近赤外線帯域まで幅広く捕捉できるようになる。カーボン・ナノチューブが「人工光吸収体」の役割を果たした場合、チラコイド膜の電子流で測定した光合成率は、ナノチューブを埋め込まない葉緑体だけの場合に比べて49%も大きくなった。ナノセリアとカーボン・ナノチューブの双方を埋め込んだ場合には、葉緑体は通常に比べてさらに2,3時間長く活動を続けることができた。
さらに研究チームは生きた植物に取り組み、血管注入と呼ばれるテクニックを使って小さな顕花植物、シロイヌナズナにナノ粒子を注入した。この植物の葉裏には二酸化炭素を取り込んで酸素を吐き出す気孔と呼ばれる微細な穴が無数に開いており、血管注入法でナノ粒子を含んだ溶液を葉の裏側につけると、ナノ粒子溶液はこの穴を通して植物に入り込んだ。
シロイヌナズナでの実験では、ナノチューブは葉緑体に入り込み、光合成電子流を30%ほど増加させた。ただし、増加分の電子流がどのように植物の糖生産に影響するかはまだこれからの研究を待つことになる。
Dr. Giraldoは、「まだ、ラボで解明しようとしている謎が一つある。植物中のブドウ糖のような化学燃料の生産にナノ粒子がどのような効果があるかはまだ明らかになっていない」と述べている。また、研究チームは、自動車の内燃機関から吐き出される環境汚染物質の酸化窒素ガスを検出するカーボン・ナノチューブをシロイヌナズナの葉緑体に送り込み、この植物を化学センサーに改造できることを証明した。
Dr. Stranoのラボでは過去にも、過酸化水素、爆発物のTNT、神経ガスのサリンなど様々な化学物質を検出するカーボン・ナノチューブを開発している。標的分子がナノチューブに巻き付けてあるポリマーに結合するとチューブの蛍光が変化する。
Dr. Giraldoは、「将来、このカーボン・ナノチューブを使って、非常に低濃度で検出が難しい遊離基や信号分子を単一粒子レベルでリアル・タイムに検出することができるようになるだろう」と述べている。センサーの標的化合物を変えることで植物を環境汚染、農薬、真菌感染、細菌毒素など様々な対象のモニターにすることができるのではないかと期待されている。同研究チームは、グラフェンのような電子的特性を持つナノ材料を植物に埋め込む研究も続けている。
Dr. Giraldoは、「現在のところ、この新しい分野の研究をしている人はほとんどいない。植物生物学や化学工学、ナノテクノロジー分野の研究者が集まってこの膨大な可能性を持つ分野で研究を始めるまたとない機会だ」と述べている。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Plant Nanobionics Augments Photosynthesis and Biochemical Sensing
