تصویر: سلول های مصنوعی گیاهی. محققان دانشگاهی روشی را برای رشد مواد گیاهی مانند چوب و الیاف پیشنهاد کرده اند و با کشت آزمایشگاهی سلول های چوب مانند از برگ های زینیا، این مفهوم را در تصویر نشان داده اند. این فناوری، همان طور که در این نمودار نشان داده شده است، هنوز در مراحل اولیه توسعه است اما می تواند روزی رد پای سنگین محیط زیست کشاورزی و جنگل داری را کاهش دهد.
اگر یک میز می خواهید، پس باید فقط یک میز پرورش دهید.محققان دانشگاهی ساختارهایی از سلول های گیاهی مشابه چوب را در آزمایشگاه پرورش می دهند و این امر احتمال تولید مواد زیستی کار آمد را نشان می دهد.

ساخت یک میز چوبی بسیار طول می کشد. اگر شما برای این منظور یک درخت را رشد دهید، آن را قطع کنید، حمل کنید، آن را آسیاب کنید، و ... متوجه این امر می شوید. این یک روند ده ها ساله است. لوئیس فرناندو یک راه حل ساده تر را پیشنهاد می کند: "اگر یک میز می خواهید، پس باید فقط یک میز پرورش دهید. "

محققان در گروه او راهی برای رشد برخی از بافت های گیاهی مانند چوب و فیبر در آزمایشگاه پیشنهاد کرده اند. این ایده هنوز در مراحل اولیه خود است، و از برخی جهات شبیه گوشت کشت شده است – که فرصتی است برای ساده سازی تولید مواد بیو لوژیکی. تیم تحقیق، این مفهوم را با رشد ساختارهای ساخته شده از سلول های چوب مانند از نمونه اولیه سلول های استخراج شده از برگ های زینیا، نشان داد.

در حالی که هنوز با زمانِ قادر شدن به رشد یک میز فاصله زیادی وجود دارد، کار آنها یک نقطه شروع احتمالی برای رویکردهای جدید در تولید مواد بیولوژیکی است که بار زیست محیطی جنگل داری و کشاورزی را کاهش می دهد. او می گوید: "نحوه به دست آوردن این مواد طی قرن ها تغییر نکرده و بسیار ناکارآمد است." "این یک فرصت واقعی برای دور زدن همه آن ناکارآمدی هاست. "

مقاله در Journal of Cleaner Production منتشر شد. اشلی بکویث نویسنده اصلی و دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک است. همکاران مشاوران بکویت، Vel؟ squez-Garc؟a ، دانشمند اصلی در آزمایشگاه های تکنولوژی MIT’s Microsystems و جفری بورنستین، مهندس پزشکی در آزمایشگاه چارلز استارک دراپر هستند.

بکویث می گوید که او همیشه مجذوب گیاهان بوده و الهام بخشی از این پروژه زمانی که او اخیراً وقت خود را در یک مزرعه گذرانده است، به وجود آمد. وی تعدادی از ناکارآمدی های ذاتی کشاورزی را مشاهده کرده است – که بعضی از آنها، مانند زهکشی کود از مزارع، قابل مدیریت هستند در حالی که دیگران مانند آب و هوا و شرایط فصلی کاملاً از کنترل کشاورز خارج هستند. به علاوه، فقط بخشی از گیاه برداشت شده برای تولید مواد غذایی یا مواد دیگر مورد استفاده واقع می شود.

بکویت می گوید: "این باعث شد که من فکر کنم: آیا می توانیم در مورد آن چه که از روند کار خود به دست می آوریم استراتژیک تر باشیم؟ آیا می توانیم بازده بیشتری برای ورودی های خود به دست آوریم؟ " "من می خواستم راهی کار آمدتر برای استفاده از زمین و منابع پیدا کنم تا بتوانیم مناطق قابل کشت بیشتری را همچنان وحشی نگه داریم یا تولید کمتری داشته باشیم اما تنوع زیستی بیشتری را فراهم کنیم." بنابراین، او تولیدات گیاهی را وارد آزمایشگاه کرد.

محققان بافت گیاهی چوب مانندی را در داخل منزل و بدون خاک و نور خورشید پرورش دادند. آنها با یک گیاه زینیا شروع به استخراج سلول های زنده از برگ های آن کردند. این تیم سلول ها را در یک محیط رشد مایع کشت داده و به آنها امکان متابولیسم و تکثیر را می دهد. بعد، آنها سلول ها را به داخل یک ژل منتقل کرده و "تنظیم" کردند. سلول های گیاهی از این نظر شبیه سلول های بنیادی هستند که در صورت القا می توانند به هر چیزی تبدیل شوند.
این، کارِ واقعاً خارق العاده ای است که نمایانگر ادغام بیولوژیکی مصنوعی و مهندسی مواد است.محققان با استفاده از مخلوطی از دو هورمون گیاهی به نام های اکسین و سیتوکینین، سلول ها را برای رشد ساختار سفت و سخت چوب مانند تحریک کردند. با تغییر سطوح این هورمون ها در ژل، آنها تولید سلول های لیگنین، یک پلیمر آلی را که به چوب استحکام می بخشد، کنترل می کنند. بکویت می گوید او با استفاده از میکروسکوپ فلورسانس، ساختار سلولی و ساختار محصول نهایی را ارزیابی کرده است. "شما می توانید به صورت بصری ارزیابی کنید که کدام سلول ها در حال چوبی شدن هستند، و می توانید بزرگ شدن و کشیدگی سلول ها را اندازه گیری کنید." این روش نشان داد که از سلول های گیاهی می توان در یک فرآیند تولید کنترل شده استفاده کرد، و در نتیجه ماده ای بهینه شده برای یک هدف خاص هستند.

او این کار را به عنوان تمرکز آزمایشگاه خود در تولید میکرو و تکنیک های تولید مواد افزودنی مانند چاپ سه بعدی می داند. در این حالت سلول های گیاهی خود به کمک محیط رشد ژل، چاپ را انجام می دهند. بر خلاف محیط مایع بدون ساختار، ژل به عنوان داربست برای رشد سلول ها به شکل خاصی عمل می کند. او می گوید: "این ایده نه تنها خواص مواد را تنظیم می کند، بلکه شکل را از ابتدا تصویر می کند." بنابراین، او احتمال رشد یک میز، بدون استفاده از عبارت دو در چهار و یا چسب چوب، را در روزی در آینده پیش بینی می کند.

این فناوری فعلاً دور از بازار آماده فعلی است. دیوید استرن، یک زیست شناس گیاهی و رئیس مؤسسه بویز تامپسون، که درگیر این تحقیق نبوده است، می گوید: "سؤال این است که آیا این فناوری می تواند از نظر اقتصادی یا چرخه زندگی مقیاس پذیر و قابل رقابت باشد." وی می افزاید که گسترش این رویکرد "سرمایه گذاری مالی و معنوی قابل توجهی می طلبد"، که با این مطلب احتمالاً به منابع دولتی و خصوصی اشاره می کند. اشترن همچنین به موازنه ها در آوردنِ قطعات جنگل داری و کشاورزی به آزمایشگاه اشاره می کند: "کشاورزی از انرژی خورشید از طریق فتوسنتز و – به جز در زمین های آبی - از باران طبیعی استفاده می کند. این، برخلاف این تکنولوژی بالقوه، به ساختمان، گرما یا نور مصنوعی نیازی ندارد. "

محققان اذعان می کنند که زمان برای این بافت های گیاهی آزمایشگاهی هنوز روزهای اولیه است – تیم، تنظیم دقیق کنترل ها را انجام می دهد، مانند کنترل سطح هورمون و pH ژل، که این باعث ایجاد خواص نهایی می شود. squezGarc می گوید: "این حوزه فعالیت، واقعاً ثبت نشده است." "یک سؤال در انتظار این است: چگونه این موفقیت را به سایر گونه های گیاهی ترجمه کنیم؟ ساده لوحانه خواهد بود اگر فکر کنیم می توانیم کار مشابهی را برای هر گونه انجام دهیم. شاید آنها دکمه های کنترل مختلفی داشته باشند. "

بکویت همچنین چالش هایی را در رشد بافت های گیاهی در مقیاس های بزرگ مانند تسهیل تبادل گاز با سلول ها پیش بینی می کند. این تیم امیدوار است تا با آزمایشات بیشتر این موانع را پشت سر بگذارد و در نهایت طرح هایی تولیدی برای محصولات آزمایشگاهی، از چوب تا الیاف ایجاد کند.

به گفته بورنشتاین، این یک چشم انداز رادیکال و در عین حال ظریف است - "یک الگوی جدید". "در این جا فرصتی برای پیشرفت در زمینه تولید میکرو ساخت و افزودنی و استفاده از آنها برای حل برخی از مشکلات قابل توجه در زمینه کشاورزی وجود دارد. "

طراحی "مواد زنده"

در همین رابطه، مهندسان، مواد ترکیبی سلول های باکتریایی را با عناصر غیر زنده ترکیب می کنند که سپس می توانند الکتریسیته را هدایت کرده یا نور ساطع کنند.

تصویر: ارائه یک هنرمند از سلول باکتریایی مهندسی شده برای تولید نانو الیاف آمیلوئید که ذراتی مانند نقاط کوانتومی (کره های قرمز و سبز) یا نانو ذرات طلا را در خود دارد. یان لیانگ.

مهندسان با الهام از مواد طبیعی مانند استخوان – که ماتریسی است از مواد معدنی و سایر مواد، از جمله سلول های زنده است - سلول هایی باکتریایی را برای تولید بیو فیلم هایی تولید کرده اند که می توانند مواد غیر زنده از جمله نانو ذرات طلا و نقاط کوانتومی را در خود جای دهند.
ایده ما این است که جهان های زنده و غیر زنده را در کنار هم قرار دهیم و مواد هیبریدی تولید کنیم که سلول های زنده در آنها وجود داشته و کاربردی داشته باشند.این "مواد زنده" مزایای سلول های زنده را که به محیط خود پاسخ می دهند، مولکول های بیولوژیکی پیچیده تولید می کنند و مقیاس های طولی بزرگ را در بر می گیرند، با مزایای مواد غیر زنده، که کارهایی مانند هدایت الکتریسیته یا تابش نور را انجام می دهند، ترکیب می کنند.

تیموتی لو، استادیار مهندسی برق می گوید، مواد جدید نمایانگر نمایشی ساده از قدرت این رویکرد هستند که می توانند روزی برای طراحی دستگاه های پیچیده تری مانند سلول های خورشیدی، مواد خود ترمیم یا حسگرهای تشخیصی مورد استفاده قرار گیرند.

لو می گوید: "ایده ما این است که جهان های زنده و غیر زنده را در کنار هم قرار دهیم و مواد هیبریدی تولید کنیم که سلول های زنده در آنها وجود داشته و کاربردی داشته باشند." "این یک روش جالب تفکر در باره سنتز مواد است، که بسیار متفاوت است از آن چه اکنون مردم انجام می دهند، و معمولاً یک روش از بالا به پایین است. "

مواد خود مونتاژ

لو و همکارانش ترجیح دادند با باکتری E. coli کار کنند زیرا به طور طبیعی بیو فیلم هایی تولید می کند که حاوی اصطلاحاً "الیاف کرلی" هستند – که پروتئین های آمیلوئیدی هستند که به E.coli کمک می کنند تا به سطح متصل شود. هر الیاف کرلی از یک زنجیره تکراری از زیر واحدهای پروتئینی یکسان به نام CsgA ساخته شده است که می تواند با افزودن قطعات پروتئینی به نام پپتیدها اصلاح شود. این پپتیدها می توانند مواد غیر زنده مانند نانو ذرات طلا را جذب کرده و آنها را در بیو فیلم ها قرار دهند.

با برنامه ریزی سلول ها برای تولید انواع مختلف الیاف کرلی در شرایط خاص، محققان توانستند خواص بیو فیلم ها را کنترل کرده و نانو سیم های طلا، بیو فیلم های هدایت کننده و فیلم های مملو از نقاط کوانتومی یا بلورهای ریزی را که دارای خواص مکانیکی کوانتومی هستند، ایجاد کنند. آنها همچنین سلول ها را به گونه ای مهندسی کردند که بتوانند با یک دیگر ارتباط برقرار کنند و با گذشت زمان ترکیب بیو فیلم را تغییر دهند.

در ابتدا، تیم MIT توانایی طبیعی سلول های باکتریایی را در تولید CsgA از کار انداخت، و سپس آن را با یک مدار ژنتیکی مهندسی شده تولیدCsgA ، اما فقط در شرایط خاص، جایگزین کرد – البته به طور خاص، در صورت وجود یک مولکول به نامAHL . این امر، کنترلِ تولید الیاف کرلی را در اختیار محققان قرار می دهد، و آنها می توانند مقدار AHL را در محیط سلول تنظیم کنند. هنگامی که AHL وجود دارد، سلول ها CsgA ترشحاتی می کنند که فیبرهای حلقوی را تشکیل می دهد و به بیوفیلم تبدیل می شود و سطح محل رشد باکتری ها را می پوشاند.
مهندسان، مواد ترکیبی سلول های باکتریایی را با عناصر غیر زنده ترکیب می کنند که سپس می توانند الکتریسیته را هدایت کرده یا نور ساطع کنند.محققان سپس سلول های E. coli را برای تولید CsgA با پپتیدهای متشکل از خوشه های اسید آمینه هیستیدین، اما فقط در صورت وجود مولکولی به نامaTc ، مهندسی کردند. دو نوع سلول مهندسی شده را می توان با هم در یک کلنی رشد داد و این به محققان اجازه می دهد تا با تغییر مقادیر AHL و aTc در محیط، ترکیب مواد بیو فیلم را کنترل کنند. در صورت حضور هر دو، این فیلم ترکیبی از الیاف برچسب خورده و بدون برچسب خواهد بود. در صورت افزودن نانو ذرات طلا به محیط زیست، برچسب های هیستیدین بر روی آنها قرار می گیرد و ردیف هایی از نانو سیم های طلا و شبکه ای که برق را هدایت می کند ایجاد می شود.

"سلول هایی که با یک دیگر صحبت می کنند"

محققان همچنین نشان دادند که سلول ها می توانند برای کنترل ترکیب بیو فیلم با یک دیگر هماهنگ شوند. آنها سلول هایی را تولید کردند که CsgA بدون علامت و همچنین AHL تولید می کنند، و سپس سلول های دیگر را تحریک می کنند تا تولید CsgA دارای برچسب هیستیدین را شروع کنند.

"این یک سیستم واقعا ساده است اما آن چه که با گذشت زمان اتفاق می افتد این است که شما الیافی کرلی به دست می آورید که به طور فزاینده ای توسط ذرات طلا برچسب گذاری می شوند. این نشان می دهد که در واقع شما می توانید سلول هایی بسازید که با یک دیگر صحبت کنند و آنها می توانند ترکیب مواد را با گذشت زمان تغییر دهند. " "در نهایت، ما امیدواریم که از چگونگی شکل گیری سیستم های طبیعی، مانند استخوان، تقلید کنیم. هیچ کس به استخوان نمی گوید چه کاری انجام دهد، اما استخوان در پاسخ به سیگنال های محیطی، ماده ای را تولید می کند. "

محققان برای افزودن نقاط کوانتومی به الیاف کرلی، سلول هایی را تولید کردند که الیاف کرلی تولید می کنند همراه با یک برچسب پپتیدی متفاوت به نام SpyTag که به نقاط کوانتومی پوشانده شده باSpyCatcher ، پروتئینی که شریک SpyTag است، متصل می شود. این سلول ها می توانند همراه با باکتری هایی تولید شوند که فیبرهای دارای نشان هیستیدین را تولید می کنند و در نتیجه ماده ای تولید می شود که هم دارای نقاط کوانتومی است و هم دارای نانو ذرات طلا.
از سلول های گیاهی می توان در یک فرآیند تولید کنترل شده استفاده کرد.لو می گوید این مواد ترکیبی می توانند ارزش استفاده برای به کار برده شدن در برنامه های انرژی مانند باتری و سلول های خورشیدی را داشته باشند. محققان همچنین علاقه مند به پوشاندن بیوفیلم ها با آنزیم هایی هستند که تجزیه سلولز را کاتالیز می کنند، که این می تواند برای تبدیل زباله های کشاورزی به سوخت های زیستی مفید باشد. سایر کاربردهای بالقوه شامل دستگاه های تشخیصی و داربست برای مهندسی بافت است.

لینگچونگ تو، استادیار مهندسی پزشکی در دانشگاه دوک که در تیم تحقیق نبود، می گوید: "من فکر می کنم این، کارِ واقعاً خارق العاده ای است که نمایانگر ادغام بیولوژیکی مصنوعی و مهندسی مواد است. "

منبع: دانیِل اَکرمن، آن ترَفتون، MIT News Office