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A Nanobionic Light-Emitting Plant

纳米颗粒 荧光素 纳米技术 化学 纳米棒 发光 材料科学 生物物理学 光电子学 荧光素酶 生物化学 生物 转染 基因
作者
Seon‐Yeong Kwak,Juan Pablo Giraldo,Min Hao Wong,Volodymyr B. Koman,Tedrick Thomas Salim Lew,Jon Ell,Mark C. Weidman,Rosalie Sinclair,Markita P. Landry,William A. Tisdale,Michael S. Strano
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:17 (12): 7951-7961 被引量:123
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.7b04369
摘要

The engineering of living plants for visible light emission and sustainable illumination is compelling because plants possess independent energy generation and storage mechanisms and autonomous self-repair. Herein, we demonstrate a plant nanobionic approach that enables exceptional luminosity and lifetime utilizing four chemically interacting nanoparticles, including firefly luciferase conjugated silica (SNP-Luc), d-luciferin releasing poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA-LH2), coenzyme A functionalized chitosan (CS-CoA) and semiconductor nanocrystal phosphors for longer wavelength modulation. An in vitro kinetic model incorporating the release rates of the nanoparticles is developed to maximize the chemiluminescent lifetimes to exceed 21.5 h. In watercress (Nasturtium officinale) and other species, the nanoparticles circumvent limitations such as luciferin toxicity above 400 μM and colocalization of enzymatic reactions near high adenosine triphosphate (ATP) production. Pressurized bath infusion of nanoparticles (PBIN) is introduced to deliver a mixture of nanoparticles to the entire living plant, well described using a nanofluidic mathematical model. We rationally design nanoparticle size and charge to control localization within distinct tissues compartments with 10 nm nanoparticles localizing within the leaf mesophyll and stomata guard cells, and those larger than 100 nm segregated in the leaf mesophyll. The results are mature watercress plants that emit greater than 1.44 × 1012 photons/sec or 50% of 1 μW commercial luminescent diodes and modulate "off" and "on" states by chemical addition of dehydroluciferin and coenzyme A, respectively. We show that CdSe nanocrystals can shift the chemiluminescent emission to 760 nm enabling near-infrared (nIR) signaling. These results advance the viability of nanobionic plants as self-powered photonics, direct and indirect light sources.
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