The interface between plant organelles and non-biological nanostructures has the potential to impart organelles with new and enhanced functions. Here, we show that single-walled carbon nanotubes (SWNTs) passively transport and irreversibly localize within the lipid envelope of extracted plant chloroplasts, promote over three times higher photosynthetic activity than that of controls, and enhance maximum electron transport rates. The SWNT–chloroplast assemblies also enable higher rates of leaf electron transport in vivo through a mechanism consistent with augmented photoabsorption. Concentrations of reactive oxygen species inside extracted chloroplasts are significantly suppressed by delivering poly(acrylic acid)–nanoceria or SWNT–nanoceria complexes. Moreover, we show that SWNTs enable near-infrared fluorescence monitoring of nitric oxide both ex vivo and in vivo, thus demonstrating that a plant can be augmented to function as a photonic chemical sensor. Nanobionics engineering of plant function may contribute to the development of biomimetic materials for light-harvesting and biochemical detection with regenerative properties and enhanced efficiency. Imparting non-native functions to living plants using nanoparticles opens the possibility of creating synthetic materials that can grow and repair themselves using sunlight, water and carbon dioxide. It is now shown that, both in plant extracts and living leaves, carbon nanotubes traverse and localize within the lipid envelope of plant chloroplasts, enhance their photosynthetic activity, and enable near-infrared fluorescence monitoring of nitric oxide.

Genetic engineering of plants is at the core of sustainability efforts, natural product synthesis and crop engineering. The plant cell wall is a barrier that limits the ease and throughput of exogenous biomolecule delivery to plants. Current delivery methods either suffer from host-range limitations, low transformation efficiencies, tissue damage or unavoidable DNA integration into the host genome. Here, we demonstrate efficient diffusion-based biomolecule delivery into intact plants of several species with pristine and chemically functionalized high aspect ratio nanomaterials. Efficient DNA delivery and strong protein expression without transgene integration is accomplished in Nicotiana benthamiana (Nb), Eruca sativa (arugula), Triticum aestivum (wheat) and Gossypium hirsutum (cotton) leaves and arugula protoplasts. We find that nanomaterials not only facilitate biomolecule transport into plant cells but also protect polynucleotides from nuclease degradation. Our work provides a tool for species-independent and passive delivery of genetic material, without transgene integration, into plant cells for diverse biotechnology applications.

Polymer nanocomposites with metal oxide nanoparticle fillers exhibit enhanced electrical breakdown strength and voltage endurance compared to their unfilled or micron filled counterparts. This paper presents the following hypothesis for the mechanisms leading to improved properties. The inclusion of nanoparticles provides myriad scattering obstacles and trap sites in the charge carriers' paths, effectively reducing carrier mobility and thus carrier energy. The result is homocharge buildup at the electrodes, which increases the voltage required for further charge injection due to blocking by the homocharge. The hypothesis is supported by electroluminescence, pulsed electro acoustic analysis, thermally stimulated current measurements, a comparison of AC, DC, and impulse breakdown, as well as absorption current measurements, in silica/crosslinked polyethylene matrix composites with supporting evidence from titania/epoxy composites.

Understanding molecular recognition is of fundamental importance in applications such as therapeutics, chemical catalysis and sensor design. The most common recognition motifs involve biological macromolecules such as antibodies and aptamers. The key to biorecognition consists of a unique three-dimensional structure formed by a folded and constrained bioheteropolymer that creates a binding pocket, or an interface, able to recognize a specific molecule. Here, we show that synthetic heteropolymers, once constrained onto a single-walled carbon nanotube by chemical adsorption, also form a new corona phase that exhibits highly selective recognition for specific molecules. To prove the generality of this phenomenon, we report three examples of heteropolymer-nanotube recognition complexes for riboflavin, L-thyroxine and oestradiol. In each case, the recognition was predicted using a two-dimensional thermodynamic model of surface interactions in which the dissociation constants can be tuned by perturbing the chemical structure of the heteropolymer. Moreover, these complexes can be used as new types of spatiotemporal sensors based on modulation of the carbon nanotube photoemission in the near-infrared, as we show by tracking riboflavin diffusion in murine macrophages.

Nanoparticles offer clear advantages for both passive and active penetration into biologically important membranes. However, the uptake and localization mechanism of nanoparticles within living plants, plant cells, and organelles has yet to be elucidated.1 Here, we examine the subcellular uptake and kinetic trapping of a wide range of nanoparticles for the first time, using the plant chloroplast as a model system, but validated in vivo in living plants. Confocal visible and near-infrared fluorescent microscopy and single particle tracking of gold-cysteine-AF405 (GNP-Cys-AF405), streptavidin-quantum dot (SA-QD), dextran and poly(acrylic acid) nanoceria, and various polymer-wrapped single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), including lipid-PEG-SWCNT, chitosan-SWCNT and 30-base (dAdT) sequence of ssDNA (AT)15 wrapped SWCNTs (hereafter referred to as ss(AT)15-SWCNT), are used to demonstrate that particle size and the magnitude, but not the sign, of the zeta potential are key in determining whether a particle is spontaneously and kinetically trapped within the organelle, despite the negative zeta potential of the envelope. We develop a mathematical model of this lipid exchange envelope and penetration (LEEP) mechanism, which agrees well with observations of this size and zeta potential dependence. The theory predicts a critical particle size below which the mechanism fails at all zeta potentials, explaining why nanoparticles are critical for this process. LEEP constitutes a powerful particulate transport and localization mechanism for nanoparticles within the plant system.

Corona phase molecular recognition (CoPhMoRe) uses a heteropolymer adsorbed onto and templated by a nanoparticle surface to recognize a specific target analyte. This method has not yet been extended to macromolecular analytes, including proteins. Herein we develop a variant of a CoPhMoRe screening procedure of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and use it against a panel of human blood proteins, revealing a specific corona phase that recognizes fibrinogen with high selectivity. In response to fibrinogen binding, SWCNT fluorescence decreases by >80% at saturation. Sequential binding of the three fibrinogen nodules is suggested by selective fluorescence quenching by isolated sub-domains and validated by the quenching kinetics. The fibrinogen recognition also occurs in serum environment, at the clinically relevant fibrinogen concentrations in the human blood. These results open new avenues for synthetic, non-biological antibody analogues that recognize biological macromolecules, and hold great promise for medical and clinical applications.

Significance Plant bioengineering will be necessary to sustain plant biology and agriculture, where the delivery of biomolecules such as DNA, RNA, or proteins to plant cells is at the crux of plant biotechnology. Here, we show that DNA nanostructures can internalize into plant cells and deliver siRNA to mature plant tissues without external aid. Furthermore, we demonstrate that nanostructure size, shape, compactness, and stiffness affect both nanostructure internalization into plant cells and subsequent gene silencing efficiency. Interestingly, we also find that the siRNA attachment locus affects the endogenous plant gene silencing pathway. Our work demonstrates programmable delivery of biomolecules to plants and details the figures of merit for future implementation of DNA nanostructures in agriculture.