تولید ابرگیاهان باکمک دانش نانو مواد

اخیرا دانشمندان با به‌‌عمل‌‌آوردن موادی برپایه‌‌ی نانو تحت‌‌عنوان MOFs توانسته‌‌اند گیاهانی باقابلیت‌‌های خارق‌‌العاده تولید کنند.

سالیان درازی است که نویسندگان ژانر علمی-تخیلی در داستان‌‌های خود رویای خلق گونه‌‌های دورگه از انسان و ماشین را به تصویر کشیده‌‌اند؛ موجوداتی شگفت‌انگیز که با توانایی‌‌های خارق‌‌العاده‌‌ی خود، ذهن انسان را بامفهومی تکان‌دهنده درگیر کرده‌اند. بااین‌‌حال، آنچه که این روزها بیش از یک گونه‌‌ی سایبورگ، واقعی و دردسترس به‌نظر می‌رسد، «اَبَر گیاهان» ساخته‌‌شده با نانومواد هستند. چند روز پیش، دانشمندان خبر از پرورش گیاهانی دادند که می‌توانند نانوموادی را تحت‌‌عنوان کالبد فلزی ارگانیک (MOFs) تولید و حتی از این مواد تازه به‌عنوان پوشش‌ گیاهان نیز استفاده کنند. این گیاهان تقویت‌شده می‌‌توانند به‌‌صورت بالقوه عملکردهای جدید و مفیدی به‌‌عنوان حسگر مواد شیمیایی یا جذب مؤثرتر نور خورشید داشته باشند.

این پژوهشگران نتایج پژوهش تازه‌‌ی خود را در اجلاس ملی جامعه‌‌ی شیمی آمریکا (ACS) در بهار ۲۰۱۹ ارائه کرده‌‌اند. دکتر جوزف ریچاردسون، پژوهشگر ارشد این پروژه می‌گوید که بشر برای هزاران سال از مواد خارجی در گیاهان استفاده کرده است. او ادامه می‌‌دهد:

 یک نمونه از این کاربردها، رنگرزی گُل‌ها است. شما ساقه‌‌ی بریده‌‌شده‌‌ی یک شاخه گل را در یک رنگ فرو می‌‌کنید، رنگ ازطریق ساقه جذب می‌‌شود و به گلبرگ‌های گل نفوذ می‌کند و بدین ترتیب شما این رنگ‌‌های زیبا را می‌‌بینید.

به‌دلیل شبکه‌های آوندی گسترده‌‌ی موجود در گیاهان، آن‌‌ها به‌آسانی می‌‌توانند آب و مولکول‌های حل‌شده در مایعات را جذب کنند. بااین‌حال، جذب مواد بزرگ‌تر و نانو ذراتی مانند MOFs ازطریق ریشه‌ها کمی دشوارتر است. ازاین‌‌رو، ریچاردسون و همکارانش در دانشگاه ملبورن (استرالیا) به این ایده اندیشیدند که آیا می‌‌توان گیاهان را با مواد اولیه‌‌ی سازنده‌‌ی MOFs تغذیه کرد؛ به‌‌گونه‌‌ای که پس از جذب، این مواد در داخل گیاهان به نانومواد نهایی تبدیل شوند.

^{دو نمونه گیاه یکسان از لیلی‌تورف که یکی از آن‌ها با پوشش MOFs فلورنت سبز حفاظت شده است (تصویر بالا)، مقایسه اثرات ناشی از پرتوی فرابنفش روی دو گیاه (تصویر پایین)}

MOFs که متشکل از یون‌های فلزی یا خوشه‌هایی از مولکول‌های آلی هستند، می‌‌توانند کریستال‌های بسیار متخلخلی تشکیل دهند که قادر هستند به‌‌مانند یک اسفنج، مولکول‌‌های دیگر را در خود جذب، ذخیره و نهایتا آزاد کنند. شیمیدان‌ها تاکنون هزاران نوع مختلف از این مواد را با کاربردهای گوناگون اعم از ذخیره‌سازی سوخت هیدروژنی تا جذب گازهای گلخانه‌ای و تحویل داروها در بدن ساخته‌اند. حال بهره‌‌مندی گیاهان از مقدار کمی از این ترکیبات مفید در بافت‌های خود، می‌تواند به آن‌ها توانایی‌های تازه‌‌ای بدهد که پیش‌‌ازاین هرگز در طبیعت دیده نشده بودند.

برای دانستن اینکه آیا گیاهان می‌توانند MOFs را در ساختار خود تولید کنند، ریچاردسون و همکارانش مقادیری از نمک‌های فلزی و رابط‌‌های ارگانیک را به آب اضافه کردند و سپس ساقه‌‌های برش‌‌خورده یا گیاهان سالم را در این محلول قرار دادند. گیاهان این مواد اولیه را درون بافت‌های خود جذب کردند که در نتیجه‌‌ی آن، دو نوع مختلف از کریستال‌های MOF فلورسنت به وجود آمدند. در آزمایش اثبات مفهوم، شاخه‌‌هایی بریده‌‌شده از نیلوفر آبی دستکاری‌شده توانستند برای تشخیص غلظت‌های کم استون در آب مفید واقع شوند؛ بدین‌‌ترتیب که هنگام جذب استون، میزان خاصیت فلورسانس مواد درون این گیاهان با افت مواجه شد. براساس این نتایج، ریچاردسون قصد دارد به بررسی این موضوع بپردازد که آیا این‌گونه‌‌های دورگه از گیاهان می‌توانند وجود مواد منفجره یا مواد شیمیایی فرار را تشخیص دهند؛ موضوعی که می‌‌تواند برای کاربرد در مکان‌‌هایی نظیر امنیت فرودگاه‌ها مفید باشد.

علاوه‌‌بر گیاهانی باقابلیت تولید مواد MOFs، محصولات نهایی را می‌توان به‌‌عنوان پوششی روی گیاهان دیگر استفاده کرد تا به آن‌ها در تبدیل پرتوهای مضر فرابنفش (UV) به نور مفید برای فوتوسنتز کمک کند. ریچاردسون می‌گوید:

وقتی به پرورش محصولات زراعی در فضا یا سطح مریخ فکر می‌‌کنیم که در آن‌‌ها هیچ اتمسفری وجود ندارد و درمعرض بمباران تشعشعات فرابنفش نیز هستیم، چنین موادی می‌‌توانند مفید واقع شوند. علت آن است که با چنین موادی علاوه‌‌بر اینکه می‌‌توان از گیاهان دربرابر پرتوی فرابنفش حفاظت کرد، می‌‌توان این (پرتوی مضر) را به انرژی مفید تبدیل کرد. به‌‌ویژه هر چقدرکه از خورشید فاصله‌‌ی بیشتری می‌‌گیرید، جذب نور کافی برای انجام فتوسنتز دشوارتر خواهد شد.

البته پژوهشگران پیش‌‌تر نیز بررسی توانایی‌های حفاظتی در نانو مواد را آغاز کرده‌‌اند و نتایج اولیه نیز امیدوارکننده بوده‌‌‌‌اند. این گروه شاخه‌‌هایی از گل داودی و لیلی‌‌تورف (lilyturf) را با مواد MOFs فلورسنت پوشش دادند و سپس گیاهان را به‌‌مدت سه ساعت در معرض نور فرابنفش قرار دادند. این نمونه‌‌ها در مقایسه با نمونه‌‌های بدون پوشش، پژمردگی و رنگ‌‌پریدگی کمتری از خود نشان می‌‌دادند.

اکنون، ریچاردسون با گروهی از زیست‌شناسان گیاهی همگام شده است تا اثرات MOFs را روی رشد گیاهان بررسی کند. تاکنون، آن‌ها متوجه وجود هیچ‌‌گونه مواد سمی در نانومواد نشده‌‌اند. پژوهشگران همچنین می‌خواهند بدانند که آیا MOFs واقعا می‌تواند به روند رشد گیاهان نیز کمک کند؛ به‌‌گونه‌‌ای که بتوان آینده‌‌ای برای کاربرد آن‌‌ها در صنعت کشاورزی متصور شد یا خیر.