科學貓科普：告訴你如何用活的植物當路燈

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想像一下，當天黑的時候，不用開燈，你可以通過桌子上發光植物的燈光來讀書，這是多麼酷的一件事！麻省理工學院的化學工程師已經邁出了關鍵的第一步，實現這一願景。通過在水芹植物的葉子中嵌入特殊的納米顆粒，就可以誘導植物發出近四個小時的可見光線。他們相信隨著進一步的優化，這種植物將有一天足夠光明照亮工作空間。

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「我們的目標是製造一個能夠像檯燈一樣工作的植物 - 一種不需要插入電源的燈，而燈光的照明最終是由植物本身的能量代謝驅動的，」 麻省理工學院化學工程教授兼通訊作者邁克爾思特朗諾（Michael Strano）說。

研究人員說，這種技術也可以用來提供低強度的室內照明，或者將樹木轉換成自供電的路燈。MIT博士後Seon-Yeong Kwak是這項研究的主要作者，並且把結果發表在美國化學會旗下期刊《納米快報》上。

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植物納米生物學是思特朗諾實驗室開創的一個新的研究領域，旨在通過將植物納入不同類型的納米粒子，賦予植物新的特徵。該小組的目標是設計植物接管現在由電子設備能夠實現的許多功能。研究人員之前設計的植物可以檢測爆炸物，並將這些信息傳達給智能手機以及一類可以監測乾旱情況的植物。

佔全球能耗約20％的照明看起來是合乎邏輯的下一個目標。 「植物可以自我修復，它們有自己的能量，並且已經適應了室外環境，」思特朗諾說。 「我們認為這是一個已經順應時代的想法，這對植物納米生物學來說是一個完美的問題。」

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為了創造他們的發光植物，麻省理工學院的研究小組轉向了螢光素酶，正是因為有了這種酶，螢火蟲才會發光。螢光素酶能夠作用於稱為熒光素的分子，並使其發光。另一種稱為輔酶A的分子通過去除可抑制螢光素酶活性的反應副產物來幫助實現該過程。

麻省理工學院的團隊將這三種成分分別包裝到不同類型的納米顆粒載體中，並且使用美國食品和藥物管理局將其歸類為「通常被認為是安全的」的材料製成納米顆粒，使得每個組分到達植物的正確部分。這些納米顆粒還防止某些組分達到可能對植物有毒的濃度。

研究人員使用直徑約10納米的二氧化硅納米粒子來攜帶螢光素酶，他們分別使用聚合物PLGA和殼聚糖的較大的粒子來攜帶螢光素和輔酶A。研究人員首先將這些顆粒懸浮在溶液中，使顆粒進入植物葉片。他們將植物浸入溶液中，然後暴露於高壓下，使顆粒通過稱為氣孔的小孔進入葉片。

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釋放熒光素和輔酶A的顆粒被設計成能夠累積在葉肉內部的葉肉細胞外空間，而含有熒光素酶的較小顆粒進入組成葉肉的細胞。 PLGA顆粒逐漸釋放熒光素，然後進入植物細胞，熒光素酶進行化學反應，使熒光素髮光。

研究人員在項目開始階段的早期工作取得了可以發光約45分鐘的植物，而目前這些植物已經改善至3.5小時。由一個10厘米的水芹苗圃產生的光線目前大約是目前閱讀檯燈的千分之一，但是研究人員認為，通過進一步優化組分的濃度和釋放，他們可以提高發出的光線的強度和發光時間。

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之前的工作來創造發光植物依靠的是基因工程植物來表達螢光素酶的基因，但這是一個繁瑣的過程，並且只能產生極其昏暗的光線。這些研究是在植物遺傳學研究中常用的煙草和擬南芥上進行的。然而，思特朗諾實驗室開發的方法可用於任何類型的植物。到目前為止，他們已經用芝麻菜、羽衣甘藍和菠菜，以及豆瓣菜來證明這一點。

思特朗諾說：「我們的目標是在植物是苗木或成熟的植物時進行一次處理，並在植物的一生中持續使用。我們的工作非常具有實際意義的開啟了植物可以作為路燈來照明的研究方向。」

對於該技術的未來版本，研究人員希望開發一種將納米粒子噴塗或噴洒到植物葉子上的方法，這可以將樹木和其它大型植物的能量轉化為光源。

研究人員還表明，他們可以通過添加攜帶熒光素酶抑製劑的納米粒子來關閉燈光。研究人員說，這可以使他們最終創造一種智能植物，它們可以自動切斷陽光環境條件下的不必要的發光。