Wetenschappers van de TU Delft hebben ontdekt hoe opgesloten microalgencellen optimaal groeien in fotosynthetisch ontworpen levende materialen. Met behulp van lichtenergie zetten de microalgen CO₂ om uit de lucht omgezet in suikers, energie en zuurstof voor hun overleving. Dergelijke op algen gebaseerde levende materialen kunnen in een reeks toepassingen worden gebruikt, van functionele objecten voor CO₂ opvangen, naar zuurstofbronnen voor biologische weefsels.

Het team, onder leiding van Marie-Eve Aubin-Tam en Kunal Masania, heeft hun nieuwe inzichten in Geavanceerde materialen gepresenteerd .

"Engineered living materials (ELM's) zijn een opwindende nieuwe klasse materialen die het potentieel hebben om een ​​revolutie in de samenleving teweeg te brengen", legt biofysicus Aubin-Tam uit. "Een voorbeeld zijn fotosynthetische levende materialen, waarin organismen groeien die actief fotosynthetiseren."

In de natuur fotosynthetiseren veel bacteriën, algen en planten; ze nemen CO₂ op , water en licht en produceren suikers om te overleven. "We hebben ELM's bestudeerd met fotosynthetiserende algen, die uiteindelijk zouden kunnen worden gebruikt om zuurstof te leveren aan biologisch of gemanipuleerd weefsel, waar zuurstoftoevoer vaak een beperkende factor is voor de groei." De kunstmatige manipulatie van biologische weefsels is vooral belangrijk gezien de groeiende behoefte aan orgaantransplantaties.

De groei beheersen

“Een belangrijke beperking die verhindert dat deze materialen op grotere schaal worden gebruikt, is dat we momenteel niet weten hoe we de groei van de cellen in deze materialen moeten controleren. Dit is wat we hebben onderzocht. We hebben onderzocht hoe de groei van cellen plaatsvindt. beïnvloed door de vorm van het materiaal, de blootstelling aan licht en de toegang tot voedingsstoffen en CO₂ ”, zegt Aubin-Tam.

"We konden ook aantonen dat de cellen voornamelijk langs de randen van het materiaal groeiden, waar ze betere toegang hebben tot lucht en licht", zegt Jeong-Joo Oh, eerste auteur van het artikel. De onderzoekers ontdekten dat een dunne structuur met een groot oppervlak de efficiëntie van de ELM's verhoogt. Hierin bevindt zich een relatief groot deel van de cellen langs de randen en dus in de buurt van lucht.

De natuur heeft het antwoord

Interessant genoeg kwam de natuur tot dezelfde conclusie, omdat de celgroei in de ELM overeenkomt met hoe het blad van een plant is gestructureerd. Bladeren hebben een dunne structuur met een groot oppervlak, waardoor een groot deel van de cellen aan zonlicht kan worden blootgesteld.

"In onze bevindingen illustreren we die toegankelijkheid tot licht en CO₂ is essentieel. Het introduceren van een kleine opening voor gasuitwisseling in de structuren verbeterde zichtbaar de celgroei in de binnenste lagen. Dit gaat echter ten koste van versnelde uitdroging, wat uiteindelijk niet goed is voor de cellen”, zegt materiaalwetenschapper Masania.

Ook dit gedrag is analoog aan de natuur. Bladeren hebben hele kleine gaatjes, huidmondjes genoemd. "Net als poorten openen de bladeren hun huidmondjes om de gasuitwisseling te verbeteren, terwijl ze niet te veel water laten ontsnappen. Mechanismen die reageren op een tekort aan CO₂ zou, net als de huidmondjes van een blad, zeer gunstig zijn voor de fotosynthetische ELM's en hun levensduur en efficiëntie in de toekomst vergroten", zegt Masania.

Interdisciplinaire samenwerking

In dit onderzoek bestudeerde het team verschillende vormen van materialen en hun invloed op de groei van de cellen. "Om dit mogelijk te maken, moesten we een nieuwe samenstelling van de inkt ontwerpen, het materiaal dat uit de printer komt. We waren op zoek naar een nieuwe inkt waarmee we grotere en complexere objecten konden printen", legt Aubin-Tam uit.

Terwijl haar groep aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen de groei van de cellen bestudeerde, wilde Masania van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek bijdragen aan de ontwikkeling van een nieuwe 3D-printbare inkt. Samen met Elvin Karana van de faculteit Industrieel Ontwerpen onderzochten ze de mogelijkheden voor het produceren van 3D-structuren van levende fotosynthetische materialen voor toekomstige toepassingen.

"De studie van celgroei binnen ELM's is cruciaal voor hun efficiënt gebruik en geoptimaliseerde functionaliteit", concludeert Aubin-Tam. "We hopen dat ons werk biologen, materiaalwetenschappers, computerwetenschappers en ingenieurs zal motiveren om de celgroei en de eigenschappen van deze nieuwe klasse materialen verder te onderzoeken."

Meer informatie: Jeong-Joo Oh et al, Groei, distributie en fotosynthese van Chlamydomonas Reinhardtii in 3D Hydrogels, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202305505

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door de Technische Universiteit Delft