Spinat als Sprengstoff-Schnüffler

Nanotechnologisch aufgerüstet: Forscher haben simple Spinatpflanzen zu Umweltsensoren umfunktioniert. Dafür schleusten sie spezielle Nanoröhrchen ins Blattgewebe der Pflanzen ein. Gelangt nun mit dem Wasser eine für Sprengstoff typische Chemikalie ins Blatt, beginnt dieses zu fluoreszieren. Aber auch andere Chemikalien oder Schadstoffe lassen sich mit dieser Methode aufspüren, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Materials“ berichten.

Pflanzen verfügen von Natur aus über eine komplexe und feinfühlige Wahrnehmung ihrer Umwelt. Kein Wunder, sind sie doch als festgewachsene Wesen darauf angewiesen, möglichst rechtzeitig auf Veränderungen reagieren zu können, beispielsweise indem tierische Helfer herbeirufen oder ihre Nachbarn warnen.

„Pflanzen sind ausgezeichnete analytische Chemiker“, erklärt Michael Strano vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Sie besitzen zudem ein ausgedehntes Wurzelnetzwerk im Boden, beproben ständig das Grundwasser und transportieren dieses bis in ihre Blätter hinein.“ Genau dies mache sie zu perfekten Biosensoren.

Nanoröhrchen ins Blatt geschleust

Um diese Sensor-Fähigkeiten auch für uns nutzbar zu machen, haben Strano und seine Kollegen nun Spinatpflanzen erstmals technisch „aufgerüstet“. Sie schleusten dafür speziell präparierte Kohlenstoff-Nanoröhrchen in das Blattgewebe der Pflanzen ein. Diese Nanoröhrchen reagieren auf die Anwesenheit von nitroaromatischen Verbindungen – Verbindungen aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen und Stickstoff, wie sie von Sprengstoffen abgegeben werden.

Befindet sich eine Landmine oder ein anderer Sprengkörper im Boden in der Nähe der Pflanze, nimmt der Spinat mit dem Wasser winzige Mengen dieser Stickstoffverbindungen auf. Wie die Forscher berichten, dauert es etwa zehn Minuten, bis diese Moleküle von den Wurzeln bis in die Blätter gelangen.

Fluoreszieren zeigt Sprengstoff an

In den Blättern der Spinatpflanze angekommen, binden die Nitroaromaten an eine spezielle Polymer-Umhüllung der Nanoröhrchen. Dadurch wird ein Fluoreszenzfarbstoff aktiviert. Strahlt man nun die Spinatpflanze mit einem Laser an, geben die Blätter Licht im Nahinfrarot-Bereich ab. Ein verstärktes Aufleuchten zeigt dann an, dass im Boden Sprengstoff enthalten ist.

Dieses verräterische Leuchten der Sensor-Pflanzen kann mit simplen, günstigen Geräten detektiert werden, wie die Forscher berichten. Sogar ein Smartphone mit entsprechender Kamera könnte sich eignen. In ihrem Experiment nutzten die Wissenschaftler einen Raspberry Pi, einen Minicomputer, der mit einer kleinen Infrarotkamera gekoppelt war. Noch aus einem Meter Entfernung ließ sich damit das Leuchten registrieren.

Auch mit anderen Pflanzen und Stoffen

„Damit bekommen wir in Echtzeit Informationen von der Pflanze – es ist fast, als könnte sie uns erzählen, was gerade in ihrer Umwelt vorgeht“, sagt Erstautor Min Hao Wong vom MIT. „Wir haben damit die Kommunikationsbarriere zwischen Mensch und Pflanze überwunden.“ Denn das von ihnen eingesetzte Verfahren funktioniere im Prinzip mit jeder lebenden Pflanze.

Inzwischen haben die Forscher ihre Spinatpflanzen auch schon auf andere chemische Stoffe angesetzt. Dafür schleusten sie eine andere Variante ihrer Nanoröhrchen ins Blattgewebe ein, die unter anderem auf Dopamin im Wasser reagieren. Dieser Botenstoff wirkt beim Menschen als „Glückshormon“, bei Pflanzen regt er das Wurzelwachstum an und fördert die Aktivität bestimmter Enzyme. Bereits in früheren Versuchen hatten die Forscher Ackerschmalwand-Pflanzen mittels Nanopartikeln zu Sensoren für Stickoxide aus der Luft gemacht.

Breite Palette von Anwendungen

„Unser nanobionischer Ansatz schafft eine ganz neue Klasse von funktionellen Hybriden aus Pflanzen und Nanomaterialien, die die Tür zu einem breiten Einsatz solche Pflanzen als Sensoren in Städten, Feldern, Hochsicherheitseinrichtungen oder auch Wohngebieten öffnen“, konstatieren die Forscher. Theoretisch ließe sich damit künftig eine breite Palette von Schadstoffen oder Indikatoren für andere Gefahren überwachen.

Im Gegensatz zu der „Cyborg“-Rose, die Wissenschaftler im Jahr 2015 vorstellten, hat dieses Verfahren zudem den Vorteil, dass es der Pflanze nicht schadet: Sie lebt und wächst ganz normal weiter – nur eben mit den Nanoröhrchen im Blatt. (Nature Materials, 2016; doi: 10.1038/nmat4771)

(Massachusetts Institute of Technology, 02.11.2016 – NPO)