Mod tilpasset træ, dyrket i et laboratorium

Hvert år mister verden omkring 10 millioner hektar skov - et område på størrelse med Island - på grund af skovrydning. Med den hastighed forudsiger nogle videnskabsmænd, at verdens skove kan forsvinde om 100 til 200 år.

I et forsøg på at levere et miljøvenligt alternativ med lavt spild, har forskere ved MIT været banebrydende for en tunbar teknik til at generere trælignende plantemateriale i et laboratorium, som kunne gøre det muligt for nogen at "dyrke" et træprodukt som et bord uden at skulle fælde træer, bearbejde tømmer osv.

Disse forskere har nu vist, at de ved at justere visse kemikalier, der bruges under vækstprocessen, præcist kan kontrollere de fysiske og mekaniske egenskaber af det resulterende plantemateriale, såsom dets stivhed og tæthed.

De viser også, at de ved hjælp af 3D-bioprintteknikker kan dyrke plantemateriale i former, størrelser og former, som ikke findes i naturen, og som ikke let kan produceres ved hjælp af traditionelle landbrugsmetoder.

"Idéen er, at du kan dyrke disse plantematerialer i præcis den form, du har brug for, så du ikke behøver at foretage nogen subtraktiv fremstilling efterfølgende, hvilket reducerer mængden af ​​energi og spild. Der er et stort potentiale for at udvide dette og dyrke tredimensionelle strukturer," siger hovedforfatter Ashley Beckwith, en nylig ph.d. kandidat.

Skønt den stadig var i de tidlige dage, viser denne forskning, at laboratoriedyrkede plantematerialer kan indstilles til at have specifikke egenskaber, som en dag kan gøre det muligt for forskere at dyrke træprodukter med de nøjagtige egenskaber, der er nødvendige for en bestemt anvendelse, såsom høj styrke til at understøtte væggene af et hus eller visse termiske egenskaber for mere effektivt at opvarme et rum, forklarer seniorforfatter Luis Fernando Velásquez-García, en ledende videnskabsmand i MIT's Microsystems Technology Laboratories.

Sammen med Beckwith og Velásquez-García på papiret er Jeffrey Borenstein, en biomedicinsk ingeniør og gruppeleder ved Charles Stark Draper Laboratory. Forskningen er offentliggjort i dag i Materials Today .

Plantering af celler

For at begynde processen med at dyrke plantemateriale i laboratoriet isolerer forskerne først celler fra bladene på unge Zinnia elegans-planter. Cellerne dyrkes i flydende medium i to dage, hvorefter de overføres til et gelbaseret medium, som indeholder næringsstoffer og to forskellige hormoner.

Justering af hormonniveauerne på dette trin i processen gør det muligt for forskere at justere de fysiske og mekaniske egenskaber af de planteceller, der vokser i den næringsrige bouillon.

"I den menneskelige krop har du hormoner, der bestemmer, hvordan dine celler udvikler sig, og hvordan bestemte egenskaber opstår. På samme måde, ved at ændre hormonkoncentrationerne i næringsbouillonen, reagerer plantecellerne forskelligt. Blot ved at manipulere disse bittesmå kemiske mængder, vi kan fremkalde ret dramatiske ændringer med hensyn til de fysiske resultater," siger Beckwith.

På en måde opfører disse voksende planteceller sig næsten som stamceller – forskere kan give dem signaler til at fortælle dem, hvad de skal blive, tilføjer Velásquez-García.

De bruger en 3D-printer til at ekstrudere cellekulturgelopløsningen til en bestemt struktur i en petriskål og lader den inkubere i mørke i tre måneder. Selv med denne inkubationsperiode er forskernes proces omkring to størrelsesordener hurtigere end den tid, det tager for et træ at vokse til modenhed, siger Velásquez-García.

Efter inkubation dehydreres det resulterende cellebaserede materiale, og derefter evaluerer forskerne dets egenskaber.

Trælignende egenskaber

De fandt ud af, at lavere hormonniveauer gav plantematerialer med mere afrundede, åbne celler, der har lavere tæthed, mens højere hormonniveauer førte til vækst af plantematerialer med mindre, tættere cellestrukturer. Højere hormonniveauer gav også plantemateriale, der var stivere; forskerne var i stand til at dyrke plantemateriale med et lagermodul (stivhed) svarende til det for nogle naturlige træsorter.

Et andet mål med dette arbejde er at studere det, der er kendt som lignificering i disse laboratoriedyrkede plantematerialer. Lignin er en polymer, der aflejres i planters cellevægge, hvilket gør dem stive og træagtige. De fandt ud af, at højere hormonniveauer i vækstmediet forårsager mere lignificering, hvilket ville føre til plantemateriale med mere trælignende egenskaber.

Forskerne viste også, at plantematerialet ved hjælp af en 3D-bioprintproces kan dyrkes i en tilpasset form og størrelse. I stedet for at bruge en form involverer processen brugen af ​​en brugerdefinerbar computerstøttet designfil, der føres til en 3D-bioprinter, som afsætter cellegelkulturen i en bestemt form. For eksempel var de i stand til at dyrke plantemateriale i form af et lille stedsegrønt træ.

Forskning af denne art er relativt ny, siger Borenstein.

"Dette arbejde demonstrerer den kraft, som en teknologi på grænsefladen mellem ingeniørvidenskab og biologi kan bringe til at løfte en miljømæssig udfordring, ved at udnytte fremskridt, der oprindeligt er udviklet til sundhedsapplikationer," tilføjer han.

Forskerne viser også, at cellekulturerne kan overleve og fortsætte med at vokse i flere måneder efter udskrivning, og at brug af en tykkere gel til at producere tykkere plantematerialestrukturer ikke påvirker overlevelsesraten for de laboratoriedyrkede celler.

'Tilpas til tilpasning'

"Jeg tror, ​​at den reelle mulighed her er at være optimal med, hvad du bruger, og hvordan du bruger det. Hvis du vil skabe et objekt, der skal tjene et eller andet formål, er der mekaniske forventninger at overveje. Denne proces er virkelig egnet til tilpasning ," siger Velásquez-García.

Nu hvor de har demonstreret den effektive tunerbarhed af denne teknik, ønsker forskerne at fortsætte med at eksperimentere, så de bedre kan forstå og kontrollere cellulær udvikling. De ønsker også at undersøge, hvordan andre kemiske og genetiske faktorer kan styre cellernes vækst.

De håber at kunne evaluere, hvordan deres metode kunne overføres til en ny art. Zinnia-planter producerer ikke træ, men hvis denne metode blev brugt til at lave en kommercielt vigtig træart, som fyr, skulle processen skræddersyes til den art, siger Velásquez-García.

I sidste ende håber han, at dette arbejde kan hjælpe med at motivere andre grupper til at dykke ned i dette forskningsområde for at hjælpe med at reducere skovrydning.

"Træer og skove er et fantastisk værktøj til at hjælpe os med at håndtere klimaforandringerne, så at være så strategisk som vi kan med disse ressourcer vil være en samfundsmæssig nødvendighed fremover," tilføjer Beckwith. + Udforsk yderligere

Kunne laboratoriedyrket plantevæv lette miljøbelastningen ved skovning og landbrug?

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.