Biyonik Bitkiler

Bitkiler, hayvanlara göre pek çok iyi özelliğe sahip. En zorlu koşullarda hayatta kalabiliyorlar, kendi kendilerini iyileştirebiliyorlar, enerjilerini ve besinlerini kendileri üretiyorlar. Dünya'daki canlı yaşamının tamamen bitkilerin varlığına bağlı olduğu söylenebilir. Pek çok canlı türü doğrudan bitkilerle ya da bitkileri yiyen canlılarla besleniyor. Ayrıca canlıların enerji üretirken tükettiği oksijen gazı da bitkiler tarafından üretiliyor. MIT'de çalışan araştırmacılar nanoteknoloji yardımıyla bitkileri daha da yararlı hale getirmeye çalışıyor. Çalışmalar nanomalzemeler kullanılarak fotosentezin verimliliğinin artırılabileceğini ve bitkilere yeni özellikler kazandırılabileceğini gösterdi.

Bitkiler fotosentez sırasında atmosferden aldıkları karbondioksiti (CO₂) ve suyu kullanarak besin ve oksijen gazı (O₂) üretir. Bu süreç iki aşamada gerçekleşir. Birinci aşama ışığın soğurulması (emilmesi, içeri alınması), ikinci aşama ise besin üretilmesidir. Işığı soğuran, klorofil adı verilen pigmentlerdir (renk veren madde). Soğurulan enerji önce kloroplastların zarlarında bulunan elektronların uyarılmasına (enerji kazanmasına) neden olur. Daha sonra bu enerji kullanılarak besin üretilir. Sonuç olarak ışık enerjisi besinlerde depolanmış kimyasal enerjiye dönüşür.

Fotosentezin gerçekleşmesi için gerekli her şey kloroplast adı verilen organellerin içinde vardır. Dolayısıyla yer yüzeyindeki besin kaynaklı kimyasal enerjilerin ve karbon bazlı yakıtların (örneğin petrol ve kömür) nihai kaynağının kloroplastlar olduğu söylenebilir. Ancak fotosentezi gerçekleştiren ilk canlılar olan siyanobakterilerin soyundan gelen bu organellerin, alternatif enerji kaynağı olarak kullanılması zordur. Çözülmesi gereken iki temel sorun olduğu söylenebilir. Birincisi kloroplastlar kendi başlarına yaşayabilen canlılar değildir, organizma dışına çıkarıldıktan sonra bozunarak (maddenin daha basit bileşenlerine ayrılıp parçalanması) işlevlerini kaybederler. Karada yaşayan bitkilerdeki kloroplastlar organizma dışına çıkarıldıktan sonra besin üretimi en fazla birkaç saat devam eder ve tüm fotosentez etkinlikleri bir gün içinde sona erer. Bu durumun en önemli nedeni ışık ve oksijen moleküllerinin fotosentezde kullanılan proteinlere hasar vermesi. Aslında kloroplastlar meydana gelen hasarları kendi kendilerine onarabilecek mekanizmalara sahip. Ancak bu mekanizmalarda kullanılan enzimlerin sentezlenebilmesi için gerekli olan polipeptitler, bitki hücrelerinin içindeki sıvılardan alınıyor. Hücre dışına çıkarılan kloroplastlar ise gerekli ham maddeler olmadığı için bu enzimleri sentezleyemiyor. Böylece hasar gören proteinler onarılamadığı için organizma dışına çıkarılan kloroplastlar bir süre sonra fotosentez yapabilme yetisini kaybediyor. Fotosentez ile ilgili başka bir sorun, fotosentezde kullanılan ışığın frekans aralığının görünür bölge ile sınırlı olması. Bu durum Güneş'ten gelen ışığın sadece %50 kadarının fotosentezde kullanılabildiği anlamına geliyor. Eğer soğurulan ışığın frekans aralığı genişletilebilirse, kimyasal enerjiye dönüştürülen ışık enerjisi miktarı artacaktır. Bu durum özellikle ışık miktarının az olduğu zamanlarda daha önemli. Çünkü kloroplastlar parlak ışık altında zaten elektron akışına aktarabileceklerinden daha fazla foton (ışığın içerdiği en küçük enerji paketleri) soğuruyor. Dolayısıyla kloroplastların soğurduğu ışığın frekans aralığı genişletilebilse bile ışık miktarı yeterli olduğu durumlarda verimlilikleri artmayacaktır. Ancak ışık miktarı yeterli olmadığı zaman kloroplastlar tam kapasite ile çalışamadığı için daha geniş bir frekans aralığında ışık soğurulması, verimliliği artıracaktır.

Araştırmacılar, nanomalzemeler kullanarak kloroplastların canlı organizma dışında verimli bir biçimde fotosentez yapmalarının önündeki iki engeli aşmanın mümkün olabileceğini düşündü. Karbon nanotüpler (boyutları metrenin milyarda biri ölçeğinde olan ve karbon atomlarından oluşan tüpler), görünür bölgenin yanı sıra morötesi ve kızılötesi bölgedeki ışığı da soğurabiliyor. Yarı iletken karbon nanotüplerde ışığın soğurulmasıyla oluşan ekskitonlar (bir elektronun valans bandından iletkenlik bandına geçmesiyle oluşan elektron-boşluk çifti) fotosentezin gerçekleştiği bölgelere elektron aktarabilir. Dolayısıyla karbon nanotüplerin kloroplastlar içine yerleştirilmesiyle daha geniş bir spektrumdaki (daha geniş bir aralıkta dalga boyuna sahip) ışık kullanılarak kimyasal enerji üretilebilir.

Araştırmacılar, kloroplastların organizma dışında daha uzun süre fotosentez yapmaya devam edebilmesinin ise seryum oksit nanoparçacıkları (nanoserya) sayesinde mümkün olabileceğini düşündü. Bu malzemenin, ışığın ve oksijen moleküllerinin etkileşmesiyle oluşan tepkime özelliği yüksek oksijen radikallerini başka maddelere dönüştürdüğü biliniyor. Seryum atomlarının radikallerle verdiği tepkimelerden bazıları şunlar:

Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ + e^-

Ce³⁺ + OH• → Ce⁴⁺ + OH^-

Ce⁴⁺ + O₂•– → Ce³⁺ + O₂

Dolayısıyla kloroplastların içine nanoserya tanecikleri yerleştirilerek canlı organizma dışında daha uzun süre fotosentez yapmaya devam etmeleri sağlanabilir.

Düşüncelerinin doğru olup olmadığını sınamak isteyen araştırmacılar, önce nanoparçacıkların kloroplastlar içerisine nasıl yerleştirilebileceğini inceledi. Dalga boyu kızılötesi bölgede yer alan ve ışık yayan karbon nanotüplerin tek tek takip edilmesiyle, nanoparçacıkların kloroplastları çevreleyen yağ katmanlarıyla karşılaştıktan sonra bir saniyeden bile kısa bir süre içinde kloroplastların içine girdiği görüldü. Üstelik bu süreç ters yönde gerçekleşmiyor. Yani kloroplastların içindeki nanoparçacıklar kloroplastların dışına çıkamıyor. Karbon nanotüp yoğunluğu litrede 2,5 miligram olan ve içinde kloroplastlar bulunan bir çözeltideki nanotüplerin tamamının kloroplastların içine geçtiği ve çözeltide asılı halde hiç nanotüp kalmadığı gözlenmiş. Deneyler karbon nanotüplerin kloroplastların zarlarından geçişinin ortamdaki ışık miktarından ya da ortam sıcaklığından etkilenmediğini gösteriyor. Bu durum geçiş sürecinin difüzyon ve kendiliğinden gerçekleşen yüzey tepkimeleri içeren pasif mekanizmalarla meydana geldiğini gösteriyor.

Araştırmacılar karbon nanotüplerin kloroplastların içine alınma süreci için yağ moleküllerinin değişimini içeren bir mekanizma öne sürüyor. Önce kloroplastların dış kısmını oluşturan yağ molekülleri karbon nanotüplerin etrafına sarılıyor. Kloroplastların zarları bozulurken yağ molekülleri nanotüplerin hidrofobik (su molekülleri tarafından itilen) yüzeylerine tutunuyor. Nanotüpler kloroplastların içine girerken çevrelerini kaplayan yağ katmanı, nanotüplerin kloroplastların içinden bir daha çıkamamasına da neden oluyor. Nanotüplerin kloroplastların içine girişi tamamlandıktan sonra kloroplastların zarları onarılıyor. Bu mekanizmanın, bitki organellerine madde girişine dair, daha önce bilinmeyen yeni bir mekanizma olduğu belirtiliyor. Araştırmacılar geliştirdikleri yöntemi nanoserya parçacıklarının da kloroplastlar içine yerleştirilmesi için kullandı. Poli (akrilik asit) ile çevrelenmiş nanoserya parçacıkları karbon nanotüplere benzer biçimde kloroplast zarlarından geçiyor.

Deneyler, içerisine karbon nanotüp yerleştirilen kloroplastlardaki fotosentez etkinliğinin %49 oranında arttığını gösteriyor. Ayrıca karbon nanotüplerle beraber nanoserya parçacıkları da kullanıldığı zaman kloroplastlar normalden birkaç saat daha uzun süre aktif kalıyor.

Geliştirilen yöntem sadece organizma dışındaki kloroplastlarda değil canlı bitkilerde de denendi. Bilimsel adı Arabidopsis thaliana olan bir bitkinin yapraklarının altına, içinde nanoparçacıklar bulunan çözelti uygulandığı zaman bitki, yapraklarındaki gözenekler vasıtasıyla çözeltideki nanoparçacıkları alıyor. Bu bitkilerde de nanoparçacıklar kloroplastların içine taşınıyor ve sonuçlar, fotosentez etkinliğinin yaklaşık %30 oranında arttığını gösteriyor. Sonuç olarak deneyler nanoparçacıkların hem organizma dışındaki hem de organizma içindeki kloroplastların fotosentez etkinliğini artırdığını gösteriyor.

Gözlemler, tahmin edildiği gibi, nanotüplerin ışık enerjisini soğurmasıyla eksitonların oluştuğunu ve bu eksitonların daha sonra fotosentezin gerçekleştiği bölgelere elektron aktardığını gösteriyor. Karbon nanotüpler, klorofil pigmentlerine göre, daha geniş bir frekans aralığındaki ışığı soğurabildiği için güneş ışığının daha büyük bir kısmı fotosentezde kullanılabiliyor. Böylece elektron akışı ve fotosentez etkinliği artıyor. Ancak elektron akışındaki artışın besin üretimine ne kadar yansıdığı henüz bilinmiyor. Bu konu ile ilgili çalışmalar hâlâ devam ediyor.

Araştırmacılar ayrıca azot monoksit (NO) gazının varlığını belirleyebilen karbon nanotüpleri bitkilerin içerisine yerleştirerek, bitkilerin NO dedektörü olarak kullanılabileceğini de gösterdi. Kloroplastlarda sinyal iletimi için kullanılan NO molekülleri aynı zamanda çevre kirliliğine de neden oluyor. Kloroplastların içine yerleştirilen NO dedektörleri kloroplastların bozunma derecesinin belirlenmesine yarıyor.

Araştırma grubunun lideri Michael M. Strano ve öğrencileri daha önce başka kimyasal maddeler -örneğin hidrojen peroksit, TNT ve sarin- için de nanotüp dedektörler üretmişler. Kimyasal maddeler nanotüplerin etrafına sarılan polimerlere (aynı maddenin moleküllerinin art arda eklenmesiyle oluşan uzun molekül) bağlandığı zaman nanotüpün yaptığı floresansta değişiklikler oluyor. Böylece bir kimyasal maddenin varlığı belirlenebiliyor. Farklı molekülleri belirleyebilecek nanoteknoloji ürünü dedektörlerin bitkilerin içerisine yerleştirilmesiyle çevre kirliliğine neden olan maddelerin, böcek öldürücülerin ya da zehirli maddelerin varlığını tespit etmek için bitkilerin kullanılabileceği düşünülüyor.

Nanomalzemeler kullanarak kloroplastların organizma dışındaki ömürlerinin uzatılması gelecekte yeni malzemelerin geliştirilmesini sağlayabilir. Örneğin nanoteknoloji sayesinde güneş ışığı kullanarak kendini onaran ya da kendi kendine büyüyen malzemeler üretilebilir. Ancak bunların gerçekleştirilebilmesi için güneş ışığının bitkilerin içine nasıl girdiğinin, bitkilerin içinde nasıl taşındığının ve nasıl dağıldığının daha iyi kavranması gerekiyor.

Kaynak:

• Giraldo, J. P., ve ark., “Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing”, Nature Materials, Cilt 13, s. 400, 2014.