Новое исследование под руководством Университета Калифорнии в Риверсайде раскрывает, как обычные мелкие частицы, производимые природой и человеком, могут трансформироваться при попадании в клетки растений и ослаблять их способность преобразовывать солнечный свет в пищу. Это открытие открывает путь к решению этой проблемы.
Источники частиц
Сгорание в двигателях, производство, лесные пожары и извержения вулканов — все эти процессы выделяют наночастицы, которые в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса.
Применение наночастиц
Созданные человеком наночастицы также изучаются для использования в сельском хозяйстве и производстве биотоплива. Они могут точно доставлять пестициды или питательные вещества к растениям, защищать их от засухи или жары и даже служить крошечными датчиками для мониторинга здоровья растений.
Проблема удобрений и пестицидов
«Половина всех удобрений, применяемых на фермах, теряется в окружающей среде и загрязняет грунтовые воды. С наиболее часто используемыми пестицидами ситуация ещё хуже — только 5% могут достичь своих целей. Есть много возможностей для улучшения», — сказал Хуан Пабло Хиральдо, доцент кафедры биологии растений в UCR.
Многие учёные утверждают, что наночастицы необходимы для удовлетворения растущего мирового спроса на продовольствие. Но есть нюанс.
Исследование в Nature Nanotechnology
Исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, показывает, что внутри растений частицы могут трансформироваться таким образом, что это мешает фотосинтезу — процессу, с помощью которого растения превращают солнечный свет в пищу.
«Наночастицы, как естественные, так и антропогенные, широко распространены во многих экосистемах Земли, но учёные только недавно начали понимать, как они взаимодействуют с различными частями окружающей среды», — сказал Лин Хэ, заместитель директора отдела химии Национального научного фонда США (NSF).
Под руководством Хиральдо и его аспиранта Кристофера Кастильо исследовательская группа обнаружила, что при попадании в клетки растений наночастицы претерпевают изменения pH и приобретают липидные покрытия из растительных мембран. Эта трансформация повышает их способность связываться с RuBisCO — белком, который инициирует фотосинтез.
«Липидные покрытия положительно заряженных наночастиц усиливают их связывание с RuBisCO и не позволяют ему эффективно выполнять свою работу», — сказал Хиральдо.
RuBisCO позволяет растениям и водорослям поглощать углекислый газ и превращать его в сахара, которые питают рост. Это, пожалуй, самый распространённый белок на Земле, и он занимает центральное место в пищевой цепочке.
Цель исследования
Желая понять влияние трансформации наночастиц на функцию RuBisCO, команда приступила к многолетнему исследованию.
Участники исследования
Участники исследования пришли из Университета Санта-Клары, Университета Иллинойса, Университета Джона Хопкинса, Сельскохозяйственной экспериментальной станции Коннектикута и UCR при поддержке Центра устойчивой нанотехнологии NSF.
Команда измерила, сколько углекислого газа поглощают листья Arabidopsis, что является показателем активности RuBisCO. Хотя наночастицы показали незначительное влияние в пробирке с RuBisCO, после трансформации в живых клетках растений они снизили активность белка втрое.
«Это первый раз, когда мы смогли сравнить влияние наночастицы на белок как вне, так и внутри живой растительной клетки», — сказал Хиральдо. «До сих пор у нас не было инструментов для сравнения этих изменений в функции белка».
Ранее группа задавалась вопросом, может ли положительный заряд наночастиц нарушать работу белка. «Теперь мы знаем, что дело не обязательно в заряде, а в трансформации, которую они претерпевают, попадая в растения, и, возможно, в другие организмы», — сказал Хиральдо. Команда первой сделала это открытие.
Междисциплинарный характер команды стал большим преимуществом. «Каждый из нас использует дополнительные методы, которые позволяют глубже изучить сложную систему, такую как растительная клетка», — сказал Ригоберто Эрнандес, соавтор исследования и профессор химии в Университете Джона Хопкинса.
«Используя компьютерное моделирование, мы получили представление о структуре и движении на микроскопическом уровне, и выяснили, как липиды приобретаются наночастицами в присутствии RuBisCO», — сказал Эрнандес.
Исследователи призывают к лучшему пониманию химических трансформаций, вызываемых наночастицами внутри организмов. Наночастицы по-прежнему привлекательны для сельского хозяйства и производства биотоплива, поскольку их можно разработать так, чтобы они были биосовместимыми и биоразлагаемыми. Теперь их можно сделать более полезными для растений.
«Благодаря Центру устойчивой нанотехнологии NSF исследователи из разных областей химии и наук об окружающей среде сотрудничали, чтобы получить новое представление о том, как наночастицы трансформируются и взаимодействуют с белком, участвующим в фотосинтезе растений», — сказал Хэ из NSF. «Тем самым они заложили основу для более безопасного и эффективного использования наночастиц в сельском хозяйстве и биотехнологиях».
«Это знаковое исследование говорит нам о том, что нам предстоит пройти долгий путь, чтобы создать наночастицы, которые действительно принесут пользу окружающей среде», — сказала Кэтрин Мерфи, соавтор исследования и профессор химии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне. «Но теперь, когда мы знаем механизм действия, мы можем перенастроить наши методы для решения этих проблем».
Предоставлено Университетом Калифорнии в Риверсайде.