Un nouveau procédé a été développé pour incorporer et assembler spontanément des nanotubes de carbone (CNT) et des nanoparticules désoxygénantes dans des chloroplastes, la partie des cellules végétales qui effectue la photosynthèse – convertissant la lumière en énergie. L'incorporation de NTC a augmenté le flux d'électrons associé à la photosynthèse de 49 % dans les chloroplastes extraits et de 30 % dans les feuilles de plantes vivantes, et l'incorporation de nanoparticules d'oxyde de cérium (nanoceria) dans les chloroplastes extraits a considérablement réduit les concentrations de superoxyde, un composé toxique pour les plantes.

Les chloroplastes à eux seuls n'absorbent la lumière que de la partie visible du spectre solaire, permettant l'accès à seulement environ 50 % du rayonnement solaire incident, et moins de 10 % de la pleine lumière du soleil sature la capacité de l'appareil photosynthétique. Cette approche nano-bio est censée augmenter l'étendue du spectre solaire utilisé pour produire de l'énergie et devrait contribuer au développement de matériaux biomimétiques avec une activité photosynthétique améliorée et une stabilité améliorée vis-à-vis de la dégradation oxydative.

Une nouvelle approche nanobionique a été développée qui confère une activité photosynthétique plus élevée aux feuilles des plantes et aux chloroplastes végétaux extraits, les organites biologiques qui convertissent le dioxyde de carbone capturé en énergie solaire. Alors que les chloroplastes hébergent toute la machinerie biochimique nécessaire à la photosynthèse, on sait peu de choses sur la façon de concevoir des chloroplastes extraits de plantes à long terme, exploitation stable de l'énergie solaire. Maintenant, Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont découvert que des nanotubes de carbone à paroi unique (CNT) hautement chargés enrobés d'ADN et de chitosane (une biomolécule dérivée de crevettes et d'autres coquilles de crustacés) sont capables de pénétrer spontanément dans les chloroplastes.

Ce nouveau procédé de pénétration d'enveloppe d'échange lipidique (LEEP) pour incorporer les nanostructures consiste à envelopper des NTC ou des nanoparticules avec des molécules d'ADN ou de polymère hautement chargées, leur permettant de pénétrer dans le gras, membranes hydrophobes qui entourent les chloroplastes. L'incorporation de NTC dans des chloroplastes extraits de plantes a amélioré l'activité photosynthétique du choloroplaste de 49 % par rapport au témoin. Lorsque ces nanocomposites ont été incorporés dans des chloroplastes foliaires de plantes vivantes, le flux d'électrons associé à la photosynthèse a été augmenté de 30 %.

Ces résultats sont cohérents avec l'idée que les nanotubes de carbone semi-conducteurs sont capables d'étendre la capture de la lumière par les matières végétales à d'autres parties du spectre solaire telles que le vert, proche infrarouge et ultraviolet. Une autre limitation majeure de l'utilisation des chloroplastes extraits pour les applications d'énergie solaire est qu'ils se décomposent facilement en raison des dommages causés par la lumière et l'oxygène aux protéines photosynthétiques. Lorsque de puissants piégeurs de radicaux oxygène tels que les nanoparticules d'oxyde de cérium (nanocères) ont été combinés avec un polymère hautement chargé (acide polyacrylique) et incorporés dans des chloroplastes extraits à l'aide du processus LEEP, les dommages causés aux chloroplastes par les superoxydes et autres espèces réactives de l'oxygène ont été considérablement réduits. Cette approche nanobionique devrait contribuer au développement de matériaux biomimétiques pour la récolte de lumière et la conversion de l'énergie solaire, ainsi que la détection biochimique avec des propriétés régénératives et une efficacité améliorée.