Ein Forscher hat eine biotechnologisch hergestellte Kartoffelpflanze entwickelt, die potenziell schädliche Mengen an Gammastrahlung erkennen kann.
Rob Sears, ein Ph.D. Ein Student am Herbert College of Agriculture der University of Tennessee hat die Pflanze so konstruiert, dass sie hohe Strahlungswerte anzeigt, indem sie die Farbe ihrer Blätter ändert. Wenn sie Gammastrahlung ausgesetzt werden, leuchten die Blätter der Pflanze grün und liefern so einen zuverlässigen Hinweis auf schädliche Werte, ohne dass komplexe Überwachungstechnologien erforderlich sind.
Weltweit besteht ein erneutes Interesse daran, Kernenergie als sauberere Alternative zu fossilen Energiequellen wie Kohlekraftwerken zu nutzen, um Klimaziele zu erreichen. Infolgedessen wird die Nutzung der Kernenergie in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich zunehmen. Damit einhergehen wird voraussichtlich ein Anstieg der Nachfrage nach effektiven und leicht zugänglichen Methoden zur Strahlungsdetektion.
Kernkraftwerke, die auf dem Prozess der Kernspaltung oder der Spaltung von Atomen beruhen, haben sich trotz weithin bekannt gewordener Vorfälle wie denen in Tschernobyl und Fukushima als sichere Mittel zur Stromerzeugung erwiesen.
Um jedoch die Bedenken der Öffentlichkeit zu zerstreuen und die Sicherheit zu gewährleisten, sind neue Technologien zur Überwachung der Strahlungsleckage in der Umgebung von Kernkraftwerken erforderlich, heißt es in einer im Fachmagazin veröffentlichten Studie Zeitschrift für Pflanzenbiotechnologie Das beschreibt die neue Technologie von Sears.
Gammastrahlung, die während des Spaltungsprozesses entsteht, ist ionisierend, was bedeutet, dass sie Elektronen aus Atomen und Molekülen aus Materialien wie Luft, Wasser und lebendem Gewebe entfernt. Ionisierende Strahlung kann diese Materialien durchdringen und möglicherweise lebendes Gewebe und DNA schädigen, insbesondere bei hohen Expositionsniveaus.
Derzeit wird Gammastrahlung mit mechanischen Sensoren erfasst, die mehrere Nachteile haben, darunter die begrenzte Verfügbarkeit, die Abhängigkeit von einer Stromversorgung und die Notwendigkeit der Anwesenheit von Menschen in einem potenziell gefährlichen Bereich.
„Aktuelle mechanische Sensoren sind aufgrund der mit Wartung und Betrieb verbundenen Kosten für die langfristige Umgebungsüberwachung ionisierender Strahlung nicht geeignet“, schreiben Sears und Kollegen in der Studie. „Außerdem liefern mechanische Sensoren keine genaue Messung der biologischen Auswirkungen niedriger Expositionsdosen über einen längeren Zeitraum.“
Um einige dieser Einschränkungen zu beseitigen, entwickelten Sears und seine Kollegen den Kartoffelpflanzen-Biosensor, auch bekannt als Phytosensor, zur Erkennung ionisierender Gammastrahlung.
Pflanzenbiosensoren bieten sich zunehmend als Möglichkeit an, das Vorhandensein von Umweltstörungen zu erkennen und zu melden. Im Vergleich zu Säugetieren haben Pflanzen eine viel höhere Strahlungstoleranz, was es ihnen ermöglicht, weitaus größere Belastungen auszuhalten und zu überwachen, als es ihre tierischen Gegenstücke können.
„Phytosensoren sind einzigartig auf ihre Umgebung abgestimmt und die von diesen Biosensoren erzeugten Reporter spiegeln direkt einen biologischen Einfluss auf das umgebende Ökosystem wider“, sagten die Autoren der Studie.
Die Forscher entschieden sich für die Veränderung von Kartoffelpflanzen, da diese Kulturpflanze weltweit sowohl in gastfreundlichen als auch in widrigen Klimazonen angebaut wird. Darüber hinaus vermehren sie sich durch Knollen im Boden und bringen genetisch identische Nachkommen hervor, die konsistente Ergebnisse liefern.
„Kartoffeln sind äußerst widerstandsfähig und können sich hervorragend an unterschiedliche Umgebungen anpassen und vermehren“, sagte Sears in einer Pressemitteilung. „Sie haben auch komplexe Reaktionen, die oft spezifisch auf einen Umweltstressor reagieren, was sie zu idealen Meldern von Bedingungen wie Gammastrahlung macht.“
Er fuhr fort: „Meine Forschung zielte darauf ab, diese Reaktionen auch aus der Ferne sichtbar und deutlich zu machen und als natürliches Warnsignal für schädliche Strahlung zu fungieren, ohne dass mechanische Sensoren erforderlich wären.“
Zu diesem Zweck nutzten Sears und seine Kollegen biotechnologische Techniken, um die DNA-Schadensreaktionsmaschinerie der Pflanze zu nutzen, um ein fluoreszierendes Licht zu erzeugen, wenn sie Gammastrahlung ausgesetzt wird. In der Studie stellte das Team fest, dass die Pflanze auf ein breites Spektrum an Gammastrahlung reagierte.
Da Phytosensoren erschwinglich, kostengünstig in der gesamten Landschaft skalierbar, leicht zu interpretieren und keiner mechanischen Wartung bedürfen, könnten sie in der Umwelt eingesetzt werden, um die Sicherheit und das Wohlbefinden von Arbeitern und Anwohnern in der Nähe von Strahlungsquellen zu verbessern.
„Es ist eine lohnende Erfahrung zu sehen, wie sich die grundlegende Strahlenbiologie, die ich studiert habe, in ein technisches biologisches Gerät verwandelt, das das Potenzial hat, die zukünftige Strahlungsüberwachung zu beeinflussen“, sagte Sears.
