В настоящее время исследователи активно изучают воздействие наноматериалов на живые организмы, но работ, относящихся к растениям, по-прежнему мало. В отличие от клеток животных почти все клетки растений имеют дополнительную защитную оболочку – они окружены плотной клеточной стенкой, состоящей из полисахаридов и целлюлозы. Поэтому для доставки различных молекул внутрь таких клеток приходится использовать сложные методы. Не могут ли углеродные нанотрубки быть использованы для создания эффективных систем доставки в клетки растений?
Авторы работы [1] впервые показали, что одностенные углеродные нанотрубки могут проникать через клеточные стенки растений и доставлять в клетки как макромолекулы, например, ДНК, так и сравнительно небольшие адсорбированные молекулы. В своих исследованиях китайские ученые использовали суспензию оксидированных одностенных нанотрубок, к которым нековалентным образом была присоединены флуоресцентная метка (флуоресцинизотиоцианат). Нанотрубки были не длиннее 500 нм. В течение 2 ч при 26 0С в стандартной среде роста была проведена инкубация клеточной культуры табака с введением нанотрубок с флуоресцинизотиоцианатом. Тот факт, что одностенные нанотрубки проникают в клетки растений авторы доказали с помощью конфокальной микроскопии: внутри почти всех клеток наблюдался интенсивный флуоресцентный сигнал от флуоресцинизотиоцианата. Зарегистрированный после инкубации клеток в среде роста сигнал с тем же количеством флуоресцинизотиоцианата, но без нанотрубок, сравним с контрольным сигналом от самих клеток. Это показывает, что флуоресцинизотиоцианат проходит сквозь клеточные стенки только с помощью нанотрубок.
При увеличении длительности инкубации и концентрации суспензии флуоресценция усиливалась. Таким образом, с помощью флуоресцинизотиоцианата, использовавшегося в качестве флуоресцентной метки, указывающей место, где находятся нанотрубки, и являющегося небольшой молекулой, было продемонстрировано, что она (молекула) может быть доставлена в клетку.
Чтобы понять, могут ли нанотрубки доставлять в клетку макромолекулы, авторы использовали однонитевые ДНК, помеченные флуоресцинизотиоцианатом. Они подготовили суспензию из нанотрубок, обернутых этими молекулами ДНК. Длина нанотрубок с ДНК была менее 500 нм. После инкубации клеток культуры табака с такого рода нанотрубками флуоресценцию наблюдали внутри более 80% клеток.
Когда в среду роста были добавлены только ДНК и флуоресцинизотиоцианат, флуоресценции не обнаружено, то есть без нанотрубок они не способны преодолеть клеточную стенку.
Распределение флуоресценции в клетках для нанотрубок с флуоресцинизотиоцианатом и нанотрубок с ДНК оказалось различным. В первом эксперименте интенсивная флуоресценция наблюдалась в вакуолях, а во втором – в цитоплазматических сетях. Эти результаты указывают, что возможна доставка различных молекул в разные отделы клетки.
Дополнительные исследования показали, что одностенные углеродные нанотрубки не токсичны для клеток, по крайней мере, для культуры табака.
Недавно американские ученые показали, что углеродные нанотрубки могут благоприятно влиять на прорастание семян и развитие рассады [2].
Для исследований они использовали семена томатов, которые проращивали в стандартной питательной среде. При добавлении в питательную среду многостенных углеродных нанотрубок семена стали прорастать уже на 3 день, то есть значительно быстрее, чем обычно.
По мнению авторов углеродные нанотрубки проникают через оболочку семян и способствуют поступлению влаги, которая важна для прорастания. С помощью термогравиметрического анализа определяли уровень влажности семян томата. Сначала измеряли уровень влажности сухих семян (18,4%), потом семян, находившихся двое суток в питательной среде с нанотрубками (56,7%) и без них (38,9%).
С помощью рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии было подтверждено, что углеродные нанотрубки действительно проникают через толстую оболочку семян.
Хотя впереди еще много исследований и нерешенных вопросов, полученные результаты могут быть полезными для развития сельского хозяйства и садоводства. Есть идеи, что на основе углеродных нанотрубок удастся создать системы доставки питательных веществ в растения, то есть разработать, так называемые, наноудобрения. Основные обсуждения касаются наносистем доставки азота, который является основным питательным элементом растений. Ученые считают, что если поместить удобрение в нанотрубки, они будут защищать его от воды и микроорганизмов до тех пор, пока не доставят его внутрь растения. Наиболее важным является вопрос об обеспечении контроля над выделением нужного количества азота в нужном месте растения.
Таким образом, углеродные нанотрубки оказываются полезными в сельском хозяйстве, но остается еще много вопросов об их воздействии на окружающую среду и человека.
Литература:
1. Q. Liu et al., Nano Lett. 9 , 1007, 2009
2. M. Khodakovskaya et al., ACS Nano 3, 3221, 2009
