Η δημιουργία τεχνητού χώματος για καλλιέργειες χωρίς… χώμα, μπορεί να ακούγεται οξύμωρο, αλλά για την ερευνητική ομάδα «ePlants» (Electronic Plants), του Πανεπιστημίου Λινκέπινγκ, στη Σουηδία, της οποίας ηγείται η αναπληρώτρια καθηγήτρια Ελένη Σταυρινίδου όχι μόνο είναι μια πραγματικότητα, αλλά έχει κάνει ήδη τον γύρο του κόσμου ως είδηση!
Η ομάδα «Ηλεκτρονικά Φυτά» του Εργαστηρίου Οργανικών Ηλεκτρονικών του σουηδικού πανεπιστημίου ανέπτυξε ένα καινοτόμο «βιο-ηλεκτρονικό χώμα» (e-Soil) που ενισχύει κατά 50% την ανάπτυξη των καλλιεργειών κριθαριού, όταν οι ρίζες τους δέχονται ηλεκτρική διέγερση μέσω αυτού. Μάλιστα, το πρωτότυπο ηλεκτρονικά αγώγιμο αυτό υπόστρωμα σχεδιάστηκε αποκλειστικά για υδροπονικές καλλιέργειες.
«Ο παγκόσμιος πληθυσμός αυξάνεται και αυτό σε συνδυασμό με την κλιματική αλλαγή δείχνει ξεκάθαρα ότι δεν θα μπορέσουμε να καλύψουμε τις διατροφικές απαιτήσεις του πλανήτη μόνο με τις υπάρχουσες γεωργικές μεθόδους», σχολιάζει η Δρ. Σταυρινίδου. «Με την υδροπονία, μπορούμε να καλλιεργήσουμε τρόφιμα και σε αστικά περιβάλλοντα σε πολύ ελεγχόμενες συνθήκες».
Αυτά συζητάμε με την Ελληνοκύπρια φυσικό, η οποία μετά από σπουδές στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και στην Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint Étienne στη Γαλλία και με εξειδίκευση στη νανοτεχνολογία και τη βιοηλεκτρονική, σήμερα διδάσκει και διενεργεί έρευνα στο Πανεπιστήμιο Linköping στην εφαρμογή της βιοηλεκτρονικής στα φυτά.
Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύτηκε λίγο πριν την εκπνοή του χρόνου στο Proceedings of the National Academy of Sciences, το e-Soil αποτελείται από οργανικές ουσίες που αναμιγνύονται με ένα αγώγιμο πολυμερές που ονομάζεται PEDOT, το οποίο συναντάται σε συνήθη αντικείμενα όπως αισθητήρες και οθόνες OLED. Οι ερευνητές μελέτησαν την επίδραση του ηλεκτρισμού σε φυτά κριθαριού για 15 ημέρες πριν από τη συγκομιδή τους και διαπίστωσαν πως η εφαρμογή μιας μικρής τάσης από το eSoil διεγείρει ηλεκτρικά τις ρίζες τους οδηγώντας σε αύξηση της βιομάζας των ηλεκτρικά διεγερμένων φυτών κατά 50% συγκριτικά με τα μη διεγερμένα.
Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης, ότι το άζωτο, ένα από τα κύρια θρεπτικά συστατικά που εμπλέκονται στην ανάπτυξη των φυτών, υφίσταται, μέσω της διέγερσης, μια πιο αποτελεσματική επεξεργασία από το φυτό. «Ωστόσο, παρά τη διαπίστωση, δεν κατανοούμε ακόμη πλήρως το πώς η διέγερση επηρεάζει την επεξεργασία των θρεπτικών συστατικών», συμπληρώνει η επιστήμονας, προσθέτοντας πως σε αυτό θα εστιάσουν οι μελλοντικές μελέτες.
Σύμφωνα με την ίδια, το «βιο-ηλεκτρονικό χώμα» δεν είναι μόνο φιλικό προς το περιβάλλον, αφού προέρχεται από κυτταρίνη και από το αγώγιμο πολυμερές, αλλά λειτουργεί με χαμηλή τάση, αποτελώντας μια ασφαλή εναλλακτική λύση σε προηγούμενες μεθόδους που απαιτούσαν υψηλή τάση και μη βιοαποδομήσιμα υλικά. Το eSoil καταναλώνει χαμηλή ενέργεια και ελαχιστοποιεί την κατανάλωση πόρων. Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης ότι αυτή η τεχνική θα μπορούσε να ελαχιστοποιήσει τη χρήση των λιπασμάτων στη γεωργία.
«Παντρεύοντας» τη βιολογία με την ηλεκτρονική
Ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια, μερικά χρόνια πριν, η Δρ. Σταυρινίδου μαζί με τον καθηγητή Μάγκνους Μπέργκρεν πρωτοπόρησαν στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων μέσα σε φυτά. Και το έκαναν με τέτοιο τρόπο που μετέτρεψαν τελικά τα ίδια τα φυτά σε «ηλεκτρονικές συσκευές», δημιουργώντας ένα πρότυπο υβρίδιο μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικής. Μάλιστα, έγιναν πρωτοσέλιδο αρκετές φορές, όπως ενδεικτικά τον Νοέμβριο του 2015, όταν δημιούργησαν το πρώτο «τρανζίστορ» μέσα σε φυτό και εμφανίστηκαν στην εφημερίδα «The New York Times».
Σε αυτή τη μελέτη που είχε παρουσιαστεί στο περιοδικό «Science Advances» οι επιστήμονες είχαν καταφέρει να μετατρέψουν ζωντανά τριαντάφυλλα σε ηλεκτροχημικά τρανζίστορ (διακόπτες) με μια απλή διαδικασία. Τα τριαντάφυλλα απορρόφησαν το αγώγιμο πολυμερές PEDOT, το οποίο κυκλοφορώντας στο αγγειακό σύστημά τους σχημάτισε οργανικά αυτοσυναρμολογούμενα σύρματα μέσα στα κοτσάνια τους. Όταν αυτά τα σύρματα συνδέθηκαν με μια εξωτερική πηγή ηλεκτρισμού, μετέφεραν ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό του φυτού.
Το 2017, οι ερευνητές το πήγαν ακόμη παραπέρα βελτιώνοντας το πολυμερές υλικό, έτσι ώστε, εκτός από το βλαστό, να σχηματίζονται σύρματα στα φύλλα και στα πέταλα του «ηλεκτρονικού» τριαντάφυλλου. Συνδυάζοντας τα οργανικά σύρματα με έναν ηλεκτρολύτη, η Δρ. Σταυρινίδου δημιούργησε ένα υπερ-πυκνωτή που μπορεί να αποθηκεύει ηλεκτρικά φορτία και να φορτίζεται και να εκφορτίζεται εκατοντάδες φορές. «Καταφέραμε να φορτίσουμε εκατοντάδες φορές το τριαντάφυλλο, χωρίς καμία απώλεια στην απόδοσή του. Τα επίπεδα ενεργειακής αποθήκευσης που πετύχαμε, είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με εκείνα των υπερπυκνωτών» θυμάται η ίδια.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η δημιουργία ηλεκτρονικών φυτών (e-plants) μπορεί να βρει πολλές εφαρμογές μελλοντικά στο πεδίο των βιοηλεκτρονικών. Η προσθήκη ηλεκτρονικών στοιχείων στα φυτά άνοιξε τον δρόμο για τον συνδυασμό των ηλεκτρονικών σημάτων με τις βιοχημικές διαδικασίες του φυτού. «Με αυτό τον τρόπο, μπορεί στο μέλλον να υπάρξουν κυψέλες καυσίμου μέσα στα ίδια τα φυτά οι οποίες θα λειτουργούν με φωτοσύνθεση μετατρέποντας τα σάκχαρα των φυτών σε ηλεκτρισμό. Τα ίδια τα φυτά δεν αποκλείεται κάποτε να μετατραπούν σε ζωντανές πηγές ηλεκτρισμού!», σημειώνει η Δρ. Σταυρινίδου.
Βιο-παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο
Ανάμεσα στις προοπτικές που άνοιξε η έρευνα της Δρ. Σταυρινίδου και της ομάδας "ePlants" το 2015 ήταν η δημιουργία βιο-αισθητήρων που καταγράφουν τα επίπεδα βιομορίων των φυτών, καθώς και άλλες συσκευές που ρυθμίζουν εκ των έσω την ανάπτυξη και άλλες λειτουργίες των φυτών. Σύμφωνα με την ίδια, κάτι τέτοιο θα μπορούσε να βελτιώσει τα φυτά με φαρμακευτικές ιδιότητες και να επιταχύνει την ανάπτυξη νέων φαρμάκων. Επίσης, θα μπορούσε να επιτρέψει μελλοντικά στους παραγωγούς να καθοδηγούν την ανθοφορία και την ωρίμανση των φυτών (π.χ. να καθυστερούν αν επικρατεί παγωνιά στο περιβάλλον).
Το 2021 η συγκεκριμένη προοπτική έλαβε σάρκα και οστά με βιο-αισθητήρες που παρακολουθούν τα επίπεδα των σακχάρων σε πραγματικό χρόνο βαθιά στους ιστούς των φυτών. «Οι βιο-αισθητήρες βασίζονται σε οργανικά ηλεκτροχημικά τρανζίστορ που μπορούν να εμφυτευτούν σε φυτά για να παρακολουθούν τα επίπεδα σακχάρου σε πραγματικό χρόνο, συνεχώς για έως και δύο ημέρες και να δίνουν πληροφορίες για την ανάπτυξη και για άλλες βιολογικές διεργασίες», εξηγεί η επιστήμονας.
Η ίδια λέει πως οι βιο-αισθητήρες χρησιμοποιούνται τώρα για βασική φυτοεπιστημονική έρευνα, αλλά στο μέλλον μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη γεωργία για τη βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης ή για την παρακολούθηση της ποιότητας προϊόντων, ενώ μακροπρόθεσμα, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να καθοδηγήσουν την παραγωγή νέων τύπων φυτών σε μη βέλτιστες συνθήκες.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι μηχανισμοί με τους οποίους ρυθμίζεται ο μεταβολισμός των φυτών και ο τρόπος που οι αλλαγές στα επίπεδα σακχάρου επηρεάζουν την ανάπτυξή τους είναι ακόμα σχετικά άγνωστοι. Προηγούμενα πειράματα βασίζονταν συνήθως στην ανάλυση φυτικών ιστών, αλλά ο βιο-αισθητήρας της ομάδας “ePlant” δίνει πληροφορίες χωρίς να καταστρέφει τα φυτά και μπορεί να αποκαλύψει άγνωστα κομμάτια του παζλ για τη λειτουργία του μεταβολισμού τους.
«Εντοπίσαμε μια μεταβολή στα επίπεδα σακχάρων στα φυτά που δεν είχε παρατηρηθεί προηγουμένως. Μελλοντικά θα επικεντρωθούμε στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα επίπεδα μεταβάλλονται όταν τα φυτά βιώνουν στρες», προσθέτει η δρ. Σταυρινίδου.
Πέφτοντας στη μυγοπαγίδα
Τι να συμβαίνει άραγε μέσα στο σαρκοφάγο φυτό Venus Flytrap όταν συλλαμβάνεται ένα έντομο; Η βιοηλεκτρονική τεχνολογία επιτρέπει γενικά την προηγμένη έρευνα της αντίδρασης των φυτών στο περιβάλλον τους και στο στρες, έτσι η εργασία της κας Σταυρινίδου έχει οδηγήσει σε ανακαλύψεις και για την ηλεκτρική σηματοδότηση που προκαλεί το κλείσιμο της παγίδας του σαρκοφάγου φυτού.
Και τα φυτά, όπως και οι άνθρωποι-παρόλο που δεν διαθέτουν νευρικό σύστημα-παράγουν ηλεκτρικά σήματα ανταποκρινόμενα στην αφή και στο στρες. Σε αντίθεση με τα ζώα που μπορούν να μετακινηθούν, τα φυτά πρέπει να παραμείνουν και να αντιμετωπίσουν τους στρεσογόνους παράγοντες όπως π.χ. πληγές από φυτοφάγα ζώα ή προσβολές στις ρίζες τους.
«Υπάρχει σήμερα μεγάλη ανάγκη για την ανάπτυξη ανθεκτικότερων φυτών στις περιβαλλοντικές προκλήσεις, για να μπορέσουμε να καλλιεργήσουμε τροφή και να διατηρήσουμε τα δάση υγιή στο μέλλον. Γι' αυτό είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τον τρόπο που τα φυτά ανταποκρίνονται στο στρες και νομίζω ότι αυτή η νέα τεχνολογία μπορεί να συμβάλει σε αυτό» λέει η καθηγήτρια, εξηγώντας πως σε ορισμένα φυτά τα ηλεκτρικά σήματα συσχετίζονται με γρήγορες κινήσεις.
Ως μοντέλο για γρήγορη ηλεκτρική σηματοδότηση στα φυτά οι ερευνητές χρησιμοποιούν το σαρκοφάγο φυτό Venus Flytrap, η φυσική παγίδα του οποίου φέρει στην εσωτερική πλευρά μικρές αισθητήριες τρίχες που με ένα απλό άγγιγμα μπορεί να κλείσει. Τα έντομα που παγιδεύονται, διασπώνται από ένα ένζυμο και τα θρεπτικά συστατικά τους απορροφώνται από το φυτό, αλλά για να κλείσει η παγίδα, οι τρίχες πρέπει να αγγιχτούν δύο φορές μέσα σε περίπου 30 δευτερόλεπτα. Με το να μη κλείνει γρήγορα κάθε φορά που μια τρίχα διεγείρεται από άλλες αιτίες, το φυτό εξοικονομεί ενέργεια.
Η ηλεκτρική σηματοδότηση σε ζωντανούς οργανισμούς βασίζεται στη διαφορά τάσης μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβάλλοντος των κυττάρων εξαιτίας της μετακίνησης ηλεκτρικά φορτισμένων ατόμων. Όταν π.χ. ενεργοποιείται ένα σήμα εξαιτίας μιας αισθητήριας τρίχας, τα ιόντα ρέουν πολύ γρήγορα μέσα από την κυτταρική μεμβράνη και αυτή η ταχεία αλλαγή της τάσης προκαλεί μια ώθηση που διαδίδεται.
Στη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances οι ερευνητές επιδεικνύουν μια τεχνολογία συστοιχίας πολλαπλών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιείται για τη μελέτη της εμφάνισης και διάδοσης του ηλεκτρικού σήματος σε ένα Venus Flytrap. Η πρόσφατα αναπτυγμένη διάταξη μέτρησης αποτελείται από ένα πολύ λεπτό φιλμ ηλεκτροδίων, τόσο λεπτό όσο το πλαστικό περιτύλιγμα των τροφίμων, που ακολουθεί την καμπυλότητα του εξωτερικού των λοβών του φυτού. Οι ερευνητές διεγείροντας μια αισθητήρια τρίχα και χρησιμοποιώντας περίπου 30 ηλεκτρόδια μέτρησαν το σήμα στον λοβό του φυτού και κινηματογράφησαν τις κινήσεις του για να το συσχετίσουν με το κλείσιμο της παγίδας.
«Μπορούμε τώρα να πούμε με βεβαιότητα ότι το ηλεκτρικό σήμα προέρχεται από τις αισθητήριες τρίχες του φυτού, αλλά και ότι εξαπλώνεται κυρίως ακτινωτά, χωρίς καμία σαφή κατεύθυνση», καταλήγει η Δρ. Ελένη Σταυρινίδου.
