Hvordan levende materialer fra alger bedst kan opfange kulstof

Forskere fra TU Delft har fundet ud af, hvordan indelukkede mikroalgeceller vokser optimalt i fotosyntetisk konstruerede levende materialer. Ved brug af lysenergi omdanner mikroalgerne CO₂ fra luften til sukker, energi og ilt for deres overlevelse. Sådanne algebaserede levende materialer kan bruges i en række anvendelser, fra funktionelle objekter til CO₂ indfangning, til iltkilder til biologiske væv.

Holdet, ledet af Marie-Eve Aubin-Tam og Kunal Masania, har præsenteret deres nye indsigt i Avancerede materialer .

"Engineered living materials (ELM'er) er en spændende ny klasse af materialer, der har potentialet til at revolutionere samfundet," forklarer biofysiker Aubin-Tam. "Et eksempel er fotosyntetiske levende materialer, hvori der vokser organismer, der aktivt fotosyntetiserer."

I naturen fotosyntetiserer mange bakterier, alger og planter; de optager CO₂ , vand og lys og producere sukkerarter for at overleve. "Vi studerede ELM'er med fotosyntetiserende alger, som i sidste ende kunne bruges til at levere ilt til biologisk eller konstrueret væv, hvor ilttilførsel ofte er en begrænsende faktor for vækst." Den kunstige konstruktion af biologiske væv er især vigtig i betragtning af det voksende behov for organtransplantationer.

Kontrol af vækst

"En væsentlig begrænsning, der forhindrer disse materialer i at blive brugt i større skala, er, at vi i øjeblikket ikke ved, hvordan vi skal kontrollere væksten af ​​cellerne i disse materialer. Det er det, vi har undersøgt. Vi har undersøgt, hvordan cellernes vækst er påvirket af materialets form, lyseksponering og adgang til næringsstoffer og til CO₂ ," siger Aubin-Tam.

"Vi var også i stand til at vise, at cellerne voksede overvejende langs materialets kanter, hvor de har bedre adgang til luft og lys," tilføjer Jeong-Joo Oh, førsteforfatter af papiret. Forskerne fandt ud af, at en tynd struktur med et stort overfladeareal øger effektiviteten af ​​ELM'erne. I disse findes en forholdsvis stor del af cellerne langs kanterne og derfor i nærheden af ​​luft.

Naturen har svaret

Interessant nok kom naturen til samme konklusion, da cellevæksten i ELM matcher, hvordan bladet på en plante er opbygget. Blade viser en tynd struktur med et stort overfladeareal, så en stor del af cellerne kan udsættes for sollys.

"I vores resultater illustrerer vi denne tilgængelighed til lys og CO₂ er nøglen. Indførelse af en lille åbning til gasudveksling i strukturerne forbedrede synligt cellevækst i de indre lag. Dette kommer dog på bekostning af accelereret dehydrering, hvilket i sidste ende ikke er godt for cellerne," siger materialeforsker Masania.

Denne adfærd er også analog med naturen. Blade har meget små huller, kaldet stomata. "Som porte åbner bladene deres stomata for at forbedre gasudvekslingen, mens de ikke lader for meget vand slippe ud. Mekanismer, der reagerer på en mangel på CO₂ , ligesom stomata på et blad, ville være yderst gavnlig for de fotosyntetiske ELM'er og øge deres levetid og effektivitet i fremtiden," siger Masania.

Tværfagligt samarbejde

I denne forskning studerede holdet forskellige former for materialer og deres indflydelse på cellernes vækst. "For at tillade dette var vi nødt til at designe en ny sammensætning af blækket, det materiale, der kommer ud af printeren. Vi ledte efter en ny blæk, der ville give os mulighed for at printe større og mere komplekse objekter," forklarer Aubin-Tam.

Mens hendes gruppe på det anvendte fakultet studerede cellernes vækst, satte Masania fra fakultetet for Luftfartsteknologi sig for at bidrage til udviklingen af ​​en ny 3D-printbar blæk. Sammen med Elvin Karana fra fakultetet for Industriel Designteknik udforskede de mulighederne for at producere 3D-strukturer af levende fotosyntetiske materialer til fremtidige anvendelser.

"Undersøgelsen af ​​cellevækst inden for ELM'er er afgørende for deres effektive brug og optimerede funktionalitet," konkluderer Aubin-Tam. "Vi håber, at vores arbejde vil motivere biologer, materialeforskere, dataloger og ingeniører til yderligere at undersøge cellevækst og egenskaberne af denne nye klasse af materialer."

Flere oplysninger: Jeong-Joo Oh et al, Growth, Distribution, and Photosynthesis of Chlamydomonas Reinhardtii in 3D Hydrogels, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202305505

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Delft University of Technology