Elk jaar verliest de wereld ongeveer 10 miljoen hectare bos - een gebied ongeveer zo groot als IJsland - als gevolg van ontbossing. In dat tempo voorspellen sommige wetenschappers dat de bossen in de wereld over 100 tot 200 jaar kunnen verdwijnen.

In een poging om een ​​milieuvriendelijk en afvalarm alternatief te bieden, hebben onderzoekers van het MIT een afstembare techniek ontwikkeld om houtachtig plantmateriaal in een laboratorium te genereren, waardoor iemand een houten product zoals een tafel kan "kweken" zonder dat bomen kappen, hout verwerken, enz.

Deze onderzoekers hebben nu aangetoond dat ze, door bepaalde chemicaliën die tijdens het groeiproces worden gebruikt, aan te passen, de fysieke en mechanische eigenschappen van het resulterende plantmateriaal, zoals de stijfheid en dichtheid, nauwkeurig kunnen regelen.

Ze laten ook zien dat ze met behulp van 3D-bioprinttechnieken plantaardig materiaal kunnen kweken in vormen, maten en vormen die niet in de natuur voorkomen en die niet gemakkelijk kunnen worden geproduceerd met behulp van traditionele landbouwmethoden.

"Het idee is dat je deze plantmaterialen in precies de vorm kunt kweken die je nodig hebt, zodat je achteraf geen subtractieve productie hoeft te doen, wat de hoeveelheid energie en afval vermindert. Er is veel potentieel om breid dit uit en laat driedimensionale structuren groeien", zegt hoofdauteur Ashley Beckwith, een recente Ph.D. afgestudeerd.

Hoewel nog in de kinderschoenen, toont dit onderzoek aan dat in het laboratorium gekweekte plantmaterialen kunnen worden afgestemd om specifieke kenmerken te hebben, die onderzoekers op een dag in staat zouden kunnen stellen om houtproducten te kweken met de exacte eigenschappen die nodig zijn voor een bepaalde toepassing, zoals hoge sterkte om de muren te ondersteunen van een huis of bepaalde thermische eigenschappen om een ​​kamer efficiënter te verwarmen, legt senior auteur Luis Fernando Velásquez-García uit, een hoofdwetenschapper bij MIT's Microsystems Technology Laboratories.

Naast Beckwith en Velásquez-García op het papier is Jeffrey Borenstein, een biomedisch ingenieur en groepsleider bij het Charles Stark Draper Laboratory. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Materials Today .

Cellen planten

Om te beginnen met het kweken van plantaardig materiaal in het laboratorium, isoleren de onderzoekers eerst cellen uit de bladeren van jonge Zinnia elegans-planten. De cellen worden twee dagen in vloeibaar medium gekweekt en vervolgens overgebracht naar een op gel gebaseerd medium dat voedingsstoffen en twee verschillende hormonen bevat.

Door de hormoonspiegels in dit stadium van het proces aan te passen, kunnen onderzoekers de fysieke en mechanische eigenschappen afstemmen van de plantencellen die in die voedingsrijke bouillon groeien.

"In het menselijk lichaam heb je hormonen die bepalen hoe je cellen zich ontwikkelen en hoe bepaalde eigenschappen ontstaan. Op dezelfde manier, door de hormoonconcentraties in de voedingsbodem te veranderen, reageren de plantencellen anders. Gewoon door deze kleine chemische hoeveelheden te manipuleren, we kunnen behoorlijk dramatische veranderingen teweegbrengen in termen van de fysieke resultaten", zegt Beckwith.

In zekere zin gedragen deze groeiende plantencellen zich bijna als stamcellen - onderzoekers kunnen ze aanwijzingen geven om hen te vertellen wat ze moeten worden, voegt Velásquez-García toe.

Ze gebruiken een 3D-printer om de celkweekgeloplossing in een petrischaal in een specifieke structuur te extruderen en drie maanden in het donker te laten incuberen. Zelfs met deze incubatietijd is het proces van de onderzoekers ongeveer twee ordes van grootte sneller dan de tijd die een boom nodig heeft om volwassen te worden, zegt Velásquez-García.

Na incubatie wordt het resulterende celgebaseerde materiaal gedehydrateerd en vervolgens evalueren de onderzoekers de eigenschappen ervan.

Houtachtige kenmerken

Ze ontdekten dat lagere hormoonspiegels plantaardig materiaal opleverden met meer ronde, open cellen met een lagere dichtheid, terwijl hogere hormoonspiegels leidden tot de groei van plantaardig materiaal met kleinere, dichtere celstructuren. Hogere hormoonspiegels leverden ook stugger plantaardig materiaal op; de onderzoekers waren in staat om plantaardig materiaal te kweken met een opslagmodulus (stijfheid) vergelijkbaar met die van sommige natuurlijke houtsoorten.

Een ander doel van dit werk is het bestuderen van wat bekend staat als lignificatie in deze in het laboratorium gekweekte plantmaterialen. Lignine is een polymeer dat wordt afgezet in de celwanden van planten, waardoor ze stijf en houtachtig worden. Ze ontdekten dat hogere hormoonspiegels in het groeimedium meer verhouting veroorzaken, wat zou leiden tot plantmateriaal met meer houtachtige eigenschappen.

De onderzoekers toonden ook aan dat met behulp van een 3D-bioprintproces het plantmateriaal in een aangepaste vorm en grootte kan worden gekweekt. In plaats van een mal te gebruiken, omvat het proces het gebruik van een aanpasbaar computerondersteund ontwerpbestand dat wordt ingevoerd in een 3D-bioprinter, die de celgelkweek in een specifieke vorm deponeert. Ze waren bijvoorbeeld in staat om plantaardig materiaal te kweken in de vorm van een kleine groenblijvende boom.

Dit soort onderzoek is relatief nieuw, zegt Borenstein.

"Dit werk demonstreert de kracht die een technologie op het raakvlak tussen techniek en biologie kan hebben bij een milieu-uitdaging, waarbij gebruik wordt gemaakt van de vooruitgang die oorspronkelijk is ontwikkeld voor toepassingen in de gezondheidszorg", voegt hij eraan toe.

De onderzoekers laten ook zien dat de celculturen kunnen overleven en maanden na het afdrukken kunnen blijven groeien, en dat het gebruik van een dikkere gel om dikkere plantmateriaalstructuren te produceren geen invloed heeft op de overlevingskans van de in het laboratorium gekweekte cellen.

'Aanpasbaar'

"Ik denk dat de echte kans hier is om optimaal te zijn met wat je gebruikt en hoe je het gebruikt. Als je een object wilt maken dat een bepaald doel dient, moet je rekening houden met mechanische verwachtingen. Dit proces is echt vatbaar voor maatwerk ", zegt Velásquez-García.

Nu ze de effectieve afstembaarheid van deze techniek hebben aangetoond, willen de onderzoekers blijven experimenteren, zodat ze de cellulaire ontwikkeling beter kunnen begrijpen en beheersen. Ze willen ook onderzoeken hoe andere chemische en genetische factoren de groei van de cellen kunnen sturen.

Ze hopen te evalueren hoe hun methode kan worden overgedragen naar een nieuwe soort. Zinnia-planten produceren geen hout, maar als deze methode zou worden gebruikt om een ​​commercieel belangrijke boomsoort te maken, zoals den, zou het proces op die soort moeten worden afgestemd, zegt Velásquez-García.

Uiteindelijk hoopt hij dat dit werk andere groepen kan motiveren om zich in dit onderzoeksgebied te verdiepen om ontbossing te helpen verminderen.

"Bomen en bossen zijn een geweldig hulpmiddel om ons te helpen de klimaatverandering te beheersen, dus het zal in de toekomst een maatschappelijke noodzaak zijn om zo strategisch mogelijk met deze hulpbronnen om te gaan", voegt Beckwith eraan toe. + Verder verkennen

Kan in het laboratorium gekweekt plantenweefsel de milieubelasting van houtkap en landbouw verlichten?

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.