Wissenschaftler konstruieren Pflanzen, die als Umweltsensoren für gefährliche Chemikalien in Farbe sprechen

Was wäre, wenn Ihre Zimmerpflanze Ihnen sagen könnte, dass Ihr Wasser nicht sicher ist? Wissenschaftler sind der Verwirklichung dieser Vision näher gekommen, indem sie erfolgreich eine Pflanze so manipuliert haben, dass sie sich in Gegenwart eines verbotenen, giftigen Pestizids rot färbt.

Um dies zu erreichen, mussten die Forscher von UC Riverside ein technisches Rätsel lösen: Wie kann man eine Pflanze in die Lage versetzen, eine Chemikalie in der Umgebung zu erkennen und darauf zu reagieren, ohne ihre Fähigkeit, in jeder anderen Hinsicht normal zu funktionieren, zu beeinträchtigen?

„Das Wichtigste dabei ist, dass wir einen Umweltsensor geschaffen haben, ohne den natürlichen Stoffwechsel der Pflanze zu verändern“, sagte Ian Wheeldon, außerordentlicher Professor für Chemie- und Umweltingenieurwesen an der UCR. „Früher hätte die Biosensor-Komponente die Fähigkeit der Pflanze beeinträchtigt, in Richtung Licht zu wachsen oder bei Stress kein Wasser mehr zu verbrauchen. Das wird nicht der Fall sein.“

Ein neuer Papier Eine detaillierte Beschreibung der Chemie hinter diesem Erfolg wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturchemische Biologie. Der technische Prozess beginnt mit einem Protein namens Abscisinsäure (ABA), das Pflanzen hilft, sich an stressige Veränderungen in der Umwelt zu gewöhnen.

Während einer Dürre trocknet der Boden und Pflanzen produzieren ABA. Zusätzliche Proteine, sogenannte Rezeptoren, helfen der Pflanze, ABA zu erkennen und darauf zu reagieren. Dies wiederum weist die Pflanze an, die Poren in ihren Blättern und Stängeln zu schließen, sodass weniger Wasser verdunstet und die Pflanze weniger wahrscheinlich welkt.

Letztes Jahr zeigte das Forschungsteam, dass ABA-Rezeptorproteine ​​so trainiert werden können, dass sie an andere Chemikalien als ABA binden. Jetzt hat das Team gezeigt, dass die Pflanze rot wird, sobald die Rezeptoren an diese andere Chemikalie binden.

Für diese Demonstration verwendete das Team Azinphos-ethyl, ein Pestizid, das vielerorts verboten ist, weil es für Menschen giftig ist. „Menschen, mit denen wir zusammenarbeiten, versuchen, Informationen über Chemikalien in der Umwelt aus der Ferne zu erfassen“, sagte Sean Cutler, UCR-Professor für Pflanzenzellbiologie. „Wenn Sie ein Feld davon hätten und sie rot würden, wäre das optisch ziemlich offensichtlich.“

Im Rahmen desselben Experiments demonstrierte das Forschungsteam auch die Fähigkeit, einen anderen lebenden Organismus in einen Sensor zu verwandeln: Hefe. Das Team konnte eine Reaktion der Hefe auf zwei verschiedene Chemikalien gleichzeitig nachweisen. In Pflanzen ist dies jedoch noch nicht möglich.

„Es wäre großartig, wenn wir irgendwann eine Anlage entwickeln könnten, die 100 verbotene Pestizide erkennt, eine zentrale Anlaufstelle“, sagte Cutler. „Je mehr man stapeln kann, desto besser, insbesondere für Anwendungen im Bereich Umweltgesundheit oder Verteidigung. Aber es gibt derzeit Grenzen für das, was wir für diese neuen Sensorkapazitäten entwickeln können.“

Um es klarzustellen: Diese Pflanzen werden nicht kommerziell angebaut. Dafür wären behördliche Genehmigungen erforderlich, die viele Jahre dauern würden. Es handelt sich außerdem um eine neue Technologie mit einer Reihe von Problemen, die angegangen werden müssten, bevor sie auf den Feldern der Landwirte oder anderswo in der realen Welt eingesetzt werden könnte. Die Entdeckung eröffnet jedoch Möglichkeiten.

„Diese Arbeit zeigte eine visuelle Reaktion auf eine Chemikalie in Pflanzen. Wir versuchen, jede Chemikalie in einer Umgebung zu spüren“, sagte Cutler. „Andere Pestizide, aber auch Medikamente wie Antibabypillen oder Prozac in der Wasserversorgung, Dinge, denen die Menschen Angst machen könnten. Diese Anwendungen sind jetzt in greifbarer Nähe.“