Durch die Fortschritte in der Elektronik und Nanotechnologie, insbesondere bei leitfähigen organischen Materialien, eröffnen sich neue Möglichkeiten, Natur und Technik miteinander zu verbinden. Indem man beispielsweise Pflanzen durch ingenieurtechnisch entwickelte Komponenten ergänzt oder verstärkt, kann man ihre natürliche Elektrophysiologie ausnutzen, um sie beispielsweise zu biohybriden Sensoren für Umweltreize zu machen, ihren inneren Zustand abzufragen oder auch ihre Stoffwechselvorgänge und Photosynthese zu beeinflussen. “Wenn man biohybride Pflanzen für die Energiegewinnung erzeugen könnte, würde dies dazu beitragen, einige Hürden der konventionellen Ansätze wie der Photovoltaik zu überwinden”, erklären Manuela Ciocca von der Freien Universität Bozen und ihre Kollegen. Bisher sei ein solcher Einsatz von biohybriden Organismen für die Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie nur bei einfachen Modellsystemen wie Bakterien und Mikroalgen umgesetzt worden. Bei höheren Pflanzen gab es bisher nur vereinzelte Tests.
Leitfähige Nanopartikel-Ketten im Pflanzengewebe
Jetzt stellt das Team um Ciocca eine Methode vor, mit der sich Pflanzen relativ leicht in biohybride Systeme umwandeln lassen. Als biologisches Element nutzten die Forschenden die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), eine in der Pflanzenforschung gut untersuchte und oft für Experimente eingesetzte Spezies. Um diese Pflanze zu einem Biohybrid zu machen, gaben sie zum Gießwasser das organische Polymer P3HT (Poly(3-Hexylthiophen)). Dieses Material ist elektrisch leitfähig und wird bereits für die Entwicklung flexibler Solarzellen sowie für Anwendungen der sogenannten grünen Elektronik erforscht. Damit dieses Polymer in die Pflanzengewebe gelangen kann, nutzten Ciocca und ihr Team kettenförmige, nur rund 150 Nanometer große Nanopartikel aus diesem Polymer. Sie bestehen aus vielen kleinen, sich wiederholenden molekularen Einheiten, deren Struktur mit einer Perlenkette vergleichbar ist.
Frühere Untersuchungen hatten bereits gezeigt, dass dieses Material Licht im Bereich von 450 bis 650 Nanometer Wellenlänge absorbiert. “Dies stimmt mit dem spektralen Bereich überein, in dem das Chlorophyll der Pflanzen nur eine minimale Lichtabsorption aufweist”, erklären die Forschenden. “Diese spektralen Eigenschaften deuten darauf hin, dass P3HT-Nanopartikel das theoretische Potenzial besitzen, die Lichtabsorption der Pflanzen zu ergänzen und zu verstärken.” Die Experimente zeigten, dass die Polymer-Nanopartikel wie erhofft von der Pflanze über die Wurzeln aufgenommen und in ihren Geweben verteilt wurde. Auch in den Blättern waren die P3HT-Nanopartikel nachweisbar. Die Ackerschmalwandpflanzen hatten die synthetische Komponente in ihre Gewebe integriert. „Diese Studie stellt damit das erste Beispiel einer biohybriden Pflanze dar, die durch das direkte Einbringen von P3HT-Nanopartikeln in die Pflanze selbst erzeugt wurde“, sagt Ciocca. “In früheren Arbeiten wurde jeweils nur ein Teil der Pflanze – etwa ein Blatt oder die Wurzeln – mit künstlichen Komponenten verbunden.”
Verstärktes Wachstum und erhöhte CO2-Aufnahme
Die Testpflanzen nahmen die biokompatiblen Nanopartikel auf, ohne dass dies ihr Wachstum beeinträchtigte. Stattdessen zeigte sich – wie erhofft – sogar ein positiver Effekt: Sobald die P3HT-Nanopartikel die Blätter erreichten, wirkten sie wie winzige Antennen, die die natürliche Lichtsammelfähigkeiten des Chlorophylls erweiterten. Analysen zeigten, dass die biohybriden Pfalzen dadurch vermehrt Licht im grünen Bereich des Spektrums absorbierten, gleichzeitig fand ein Elektronentransfer von den Nanopartikeln zum Photosyntheseapparat der Pflanzen statt, wie Ciocca und ihre Kollegen feststellten. Für die Pflanzen war dies ein Vorteil: Die zusätzliche Energie steigerte ihre Photosynthese, was einerseits zu einer höheren CO₂-Aufnahme aus der Atmosphäre und andererseits zu stärkerem Pflanzenwachstum führte. Die biohybriden Pflanzen entwickelten um 45 Prozent längere Wurzeln, ihre Biomasse erhöhte sich im Vergleich zu Kontrollpflanzen um 17 Prozent. Parallel dazu verstärkte sich die CO2-Aufnahme und -Bindung um elf Prozent, wie das Team berichtet.
Nach Ansicht von Ciocca und ihren Kollegen könnten solche biohybriden Pflanzen den Weg für zahlreiche Anwendungen ebnen – von der Bindung von CO2 aus der Atmosphäre bis hin zur Erzeugung von Bioenergie. „Diese Technologie eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, da sie es erlaubt, die Eigenschaften pflanzlicher Organismen zu verändern, ohne deren DNA zu modifizieren”, sagt Ciocca. “Die Einsatzfelder sind sehr vielfältig – von nachhaltiger Landwirtschaft bis hin zu erneuerbaren Energien: Diese Pflanzen können mehr CO₂ binden, mehr Sauerstoff produzieren und zu den grünen Energiesystemen der Zukunft beitragen.”
Quelle: Manuela Ciocca (Freie Universität Bozen) et al., Materials Horizons, doi: 10.1039/D5MH00341E
