Древесина может быть возобновляемым ресурсом, но она все еще в значительной степени чрезмерно эксплуатируется. Каждый год мир теряет около 10 миллионов гектаров леса, что примерно равно площади Исландии, как отмечает MIT в пресс-релизе, представляющем эту инновацию. Основываясь на этом наблюдении, ученые института начали эксперименты с целью получения «лабораторной древесины». Точнее, это будет растительный материал, похожий на дерево, который можно будет выращивать прямо в нужной форме. Это предложение напоминает стремительный прогресс, достигнутый в последние годы в выращивании лабораторного мяса.
В случае с древесиной, достижение эффективного процесса ее производства в лаборатории позволило бы сэкономить не только природные ресурсы, но и энергию, говорят исследователи. Действительно, не было бы необходимости рубить дерево, разделывать его на части и производить отходы, которые не используются повторно…
На практике процесс начинается с нескольких клеток. Для своих тестов ученые выбрали листья циннии изящной (Zinnia elegans), из которых они выделили и собрали клетки. Сначала их выращивали в жидкой среде в течение двух дней, а затем переносили в гель, содержащий питательные вещества и два различных гормона.
Адаптируемые физические свойства
На этой стадии культуры команда может выбрать различные свойства для своего растительного материала. Дозировка гормонов может быть изменена для изменения физических или механических свойств получаемого материала. Например, они обнаружили, что более высокий уровень гормонов приводит к получению более жесткого и плотного материала.
«В человеческом организме есть гормоны, которые определяют развитие ваших клеток и появление определенных черт характера. Таким же образом, изменяя концентрацию гормонов в питательном бульоне, клетки растений реагируют по-разному. Просто манипулируя этими крошечными химическими количествами, мы можем добиться довольно резких изменений в физических результатах«, — объясняет Эшли Беквит, ведущий автор . Это похоже на принцип работы стволовых клеток, которым можно «сказать», чем стать, и имеет множество медицинских применений.
Это означает, что однажды мы сможем выращивать очень прочную древесину, особенно для строительства, или древесину с хорошими тепловыми свойствами для отопления… Короче говоря, адаптировать ее свойства к конкретным потребностям. После этого решающего этапа растительный материал можно «распечатать». Ученые используют 3D-принтер для выдавливания гелевого раствора в определенную структуру в чашке Петри. После трех месяцев инкубации материал обезвоживают, после чего он готов. Относительно долгое время развития… но все же меньше, чем рост дерева, подчеркивают инициаторы этого процесса.
Интерес всего этого процесса заключается также в том, что благодаря 3D-принтеру материал может быть непосредственно создан в нужной форме. «Идея заключается в том, что вы можете выращивать эти растительные материалы именно в той форме, которая вам нужна, поэтому вам не придется потом заниматься субтрактивным производством, что сокращает количество энергии и отходов. Есть большой потенциал для расширения этого и разработки трехмерных структур«, — говорит Эшли Беквит. На данный момент ученые «напечатали» свой материал в форме небольшого дерева.
В этой области исследований еще предстоит провести множество испытаний. В частности, исследователи хотят продолжить изучение этого процесса, чтобы лучше понять, как контролируется развитие клеток. Они также хотели бы определить, как другие химические агенты или генетические факторы могут влиять на рост клеток. Для применения с древесиной им также придется адаптировать свой процесс, поскольку цинния не производит древесину.
Однако они по-прежнему с энтузиазмом оценивают масштаб задачи: «Эта работа демонстрирует мощь, которую технология на стыке инженерии и биологии может привнести в решение экологических проблем, используя преимущества достижений, изначально разработанных для применения в здравоохранении«, — говорит Джеффри Боренштейн, один из соавторов исследования.