Древесина из пробирки: сможет ли биопринтинг спасти леса от вырубки?
Древесина — возобновляемый ресурс, но площадь лесов стремительно сокращается, а на выращивание новых уходят десятилетия. К тому же производство пиломатериалов довольно затратное: необходимы вода, земля, удобрения, плюс расходы на обработку и транспортировку. Ученые из Массачусетского технологического института нашли способ сделать этот процесс более эффективным и экологичным. Они рассказали журналу Wired, как вырастили в лаборатории похожую на дерево ткань, которая, возможно, позволит в будущем создавать искусственную древесину и другие растительные материалы, чтобы уменьшить вредное воздействие сельского и лесного хозяйства на окружающую среду.
Подробно ознакомиться с результатами этой работы можно в статье, недавно опубликованной в Journal of Cleaner Production.
Эшли Беквит, инженерка машиностроения и ведущая авторка исследования:
«Если такой способ производства растительных материалов станет повсеместным, это поможет снизить нагрузку на сельскохозяйственные угодья, что, в свою очередь, позволит спасти леса от вырубки».
Раньше Беквит занималась исследованиями в области медицины. Но после того, как ученая посетила органическую ферму, она заинтересовалась вопросом более эффективного использования природных ресурсов.
Для выращивания растительных материалов в лаборатории не понадобится солнечный свет, почва и пестициды. А производство только полезных частей растений позволит избежать лишних отходов в виде коры и листьев, которые образуются в процессе традиционной деревообработки.
Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, соавтор исследования из лаборатории микросистемной техники при МИТ:
«Следующая цель — производить материалы там, где это требуется и когда это требуется. На данный момент действует модель, при которой материалы производятся всего в нескольких локациях, а затем транспортируются в нужное место».
Чтобы вырастить ткань в пробирке, используют не семена, а клетки. Для своего эксперимента исследователи извлекли живые клетки из листьев циннии изящной. Выбор пал на это растение, поскольку оно быстро растет, а также потому, что его дифференцировка клеток — процесс изменения функций клеток — хорошо изучена.
Сначала клетки поместили в ГРМ-бульон для размножения, а затем в гель для дальнейшего роста. «Со временем клетки начали расти и заполнять гелевый каркас, превращаясь в тот тип клеток, который был нам нужен», — рассказывает Беквит. Гелевый каркас содержит питательные вещества и гормоны, необходимые для поддержания роста клеток.
Читайте также
Будущее за мицелием: как используют грибы в строительстве, дизайне и медицине
Однако смесь растительных клеток и геля не может превратиться в полезный материал без определенных манипуляций. Ученые выяснили, как изменение концентрации гормонов, уровня кислотности геля, плотности клеток и других параметров влияет на развитие и будущие характеристики растительной ткани. «Растительные клетки очень податливы. Их тип можно изменить, чтобы получить нужные вам свойства», — объясняет Веласкес-Гарсия.
Чтобы получить материал, похожий на древесину, исследователи выбрали сосудистые клетки, которые переносят воду и минеральные вещества и в итоге позволяют получить древесную текстуру.
В процессе развития благодаря полимеру лигнину у клеток образовалась вторая, более твердая клеточная стенка. При помощи флуоресцентной микроскопии ученые могли наблюдать, какие из клеток становились лигнифицированными (то есть превращались в древесину) и оценить их характеристики.
Технология 3D-биопринтинга позволяет придать полученному материалу почти любую форму. Темно-зеленая ткань, которую создали исследователи из МИТ, довольно плотная, но недостаточно твердая для использования в строительных целях.
На данный момент напечатанные прямоугольные структуры составляют всего несколько сантиметров в длину, хотя можно создавать и более крупные модели.
Цель этого проекта с использованием клеток циннии изящной — доказать, что технология выращивания растительных материалов работает. Следующим шагом будет применение ее к другим видам растений, из которых можно получить более крепкие материалы. По словам Беквит, поначалу такие материалы могут быть дороже, чем натуральные, но возможность обойти стадии сбора урожая, обработки и производства позволит со временем снизить их стоимость.
Исследователи предполагают, что в будущем можно будет печатать готовые изделия, такие как мебель, но даже создание деревянных блоков и балок позволит избежать затрат на вырубку деревьев и придание древесине необходимой формы. Выращивание растительной ткани в лаборатории будет занимать около двух месяцев — это намного быстрее, чем ждать 20 лет, пока обычный тополь достигнет необходимого размера.
Сюэцзюнь Пань, профессор кафедры инженерии биосистем Висконсинского университета в Мадисоне:
«Выращивание достаточно твердой древесины — не единственный интересный вариант. Растительные материалы могут использоваться не только для создания готовой мебели, но и в производстве топлива и химикатов. Можно, например, изготавливать биомассу, чтобы использовать ее в качестве сырья для биопромышленности».
По словам Джеффри Боренстейна, одного из авторов исследования из лаборатории Чарльза Старка Дрейпера, эксперимент с органическим материалом, пригодным для печати, может стать основой для создания передовых материалов и устройств с функцией терморегуляции и самовосстановления.
Клетки растений реагируют на изменения в окружающей среде — если наделить этой способностью материалы, это может трансформировать промышленность.
«Материал, который растет, самовосстанавливается и взаимодействует с окружающей средой, был бы очень ценным. Создание материалов из живых клеток позволяет получить эти свойства, что было невозможно прежде», — говорит Боренстейн.
Возможности 3D-биопринтинга до сих пор недостаточно изучены, считают исследователи, поэтому вполне вероятно, что их эксперимент — первый в своем роде. Но даже самые благородные «зеленые» устремления нужно оценивать трезво.
Возможность отказаться от вырубки лесов звучит заманчиво, однако трудно предсказать, как будет развиваться лесная промышленность, основанная на выращенной в лаборатории древесине. Для сравнения можно взять мясо из пробирки, которое было создано как экологичная альтернатива натуральному мясу, производство которого (в первую очередь говядины) наносит существенный вред окружающей среде. Индустрия по производству искусственного мяса уже достаточно развита, но оценить ее вклад в сокращение вредных выбросов по-прежнему сложно.
Например, замена выбросов метана, производимого крупным рогатым скотом, на выбросы двуокиси углерода от производства энергии для выращивания искусственного мяса — сомнительный выигрыш. Также неясно, сколько воды используется для создания эрзац-мяса по сравнению с количеством воды, расходуемым в скотоводстве.
Может быть интересно
Мясо без мяса: могут ли котлеты из лаборатории заменить обычные
Увеличение масштабов производства растительных материалов в лаборатории также требует лучшего понимания факторов, влияющих на развитие клеток, — от уровня гормонов и кислотности в питательном растворе до механических сил внутри гелиевого каркаса и клеточной сигнализации. Одним словом, предстоит еще много работы.
К тому же при попытке применить техники, использовавшиеся для выращивания клеток циннии изящной, к другим видам растений, ученые могут столкнуться с проблемами, считает Веласкес-Гарсия. «Чтобы в полной мере исследовать возможности данной технологии, нужно намного больше ресурсов», — говорит он.
Но экологические решения требуют смелых идей, уверен он, и однажды материалы, выращенные в лаборатории, могут превзойти созданные природой.