دانشمندان می‌گویند با چوب رشدیافته در آزمایشگاه می‌توان خانه ساخت
هر سال، جهان حدود ۱۰ میلیون هکتار از جنگل‌های خود را به دلیل جنگل‌زدایی از دست می‌دهد؛ منطقه‌ای که تقریباً به وسعت ایسلند است. برخی دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با این سرعت، جنگل‌های جهان طی ۱۰۰ تا ۲۰۰ سال آینده به کلی از بین خواهند رفت.
پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست در تلاشی برای ارائه جایگزینی سازگار با محیط زیست و دارای ضایعات کم، تکنیک قابل‌تنظیمی را برای تولید مواد گیاهی دارای خواص چوب درون آزمایشگاه ایجاد کرده‌اند که می‌تواند افراد را قادر سازد تا محصولات چوبی مانند میز را بدون نیاز به قطع درختان، فرآوری الوار و موارد دیگر رشد دهند. پژوهشگران نشان داده‌اند که با تنظیم مواد شیمیایی خاصی که طی فرایند رشد استفاده می‌شود، می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی مواد گیاهی حاصل مانند سفتی و چگالی را کنترل کنند.
آن‌ها همچنین نشان داده‌اند که با استفاده از تکنیک‌های چاپ زیستی سه‌بعدی می‌توانند مواد گیاهی را در اشکال، اندازه‌ها و فرم‌هایی که در طبیعت یافت نمی‌شود و با استفاده از روش‌های سنتی به‌راحتی قابل تولید نیست، رشد دهند. اشلی بک‌ویت از پژوهشگران مطالعه می‌گوید:
ایده این است که می‌توانید این مواد گیاهی را دقیقاً به شکلی که نیاز دارید، رشد دهید، بنابراین به هیچ‌گونه ساخت کاهشی پس از آن نیاز ندارید و این کار مقدار انرژی موردنیاز و ضایعات را کاهش می‌دهد. پتانسیل بالایی برای گسترش این رویه و رشد دادن ساختارهای سه‌بعدی وجود دارد.
لوییس فرناندو ولاسکوئز گارسیا، نویسنده ارشد مطالعه از آزمایشگاه فناوری میکروسیستم‌های مؤسسه فناوری ماساچوست، می‌گوید اگرچه هنوز در روزهای اولیه خود است، این پژوهش نشان می‌دهد که مواد گیاهی رشدیافته در آزمایشگاه را می‌توان تنظیم کرد تا ویژگی‌های خاصی داشته باشند. این مواد می‌توانند روزی پژوهشگران را قادر سازند که محصولات چوبی را با ویژگی‌های موردنیاز برای کاربردی خاص مانند استحکام بالا به منظور حمایت از دیوارهای خانه یا ویژگی‌های حرارتی خاص به منظور گرم‌کردن کارآمدتر اتاق رشد دهند.
جفری بورنشتاین، مهندس زیست‌پزشکی و رهبر گروه در آزمایشگاه چارلز استارک دراپر، دانشمند دیگری است که با همکاری بک‌ویت و ولاسکوئز گارسیا این پژوهش را انجام داده است که به‌تازگی در مجله‌ی Materials Today منتشر شده است.
کاشت سلول‌ها
برای شروع فرایند رشد مواد گیاهی درون آزمایشگاه، پژوهشگران ابتدا سلول‌ها را از برگ‌های گل آهار (Zinnia elegans) جوان جدا کردند. سلول‌ها به مدت دو روز در محیطی مایع کشت شدند و سپس به محیط کشت مبتنی بر ژل که حاوی مواد مغذی و دو هورمون مختلف بود، منتقل شدند. تنظیم سطوح هورمون در این مرحله از فرایند پژوهشگران را قادر می‌سازد تا خواص فیزیکی و مکانیکی سلول‌های گیاهی را که در آن محیط غنی از مواد مغذی رشد می‌کنند، تنظیم کنند. بک‌ویت می‌گوید:
در بدن انسان، هورمون‌هایی وجود دارند که نحوه رشد سلول‌ها و نحوه ایجاد ویژگی‌های خاص را تعیین می‌کنند. به همین شکل، با تغییر غلظت هورمون‌ها در محیط کشت، سلول‌های گیاهی واکنش متفاوتی نشان می‌دهند. با دستکاری غلظت این هورمون‌ها می‌توانیم تغییرات چشمگیری را ازنظر نتایج فیزیکی ایجاد کنیم.
ولاسکوئز گارسیا می‌افزاید این سلول‌های گیاهی درحال رشد به نوعی مانند سلول‌های بنیادی رفتار می‌کنند، یعنی پژوهشگران می‌توانند به آن‌ها سرنخ‌هایی بدهند تا بگویند به چه چیزی تبدیل شوند.
پژوهشگران از چاپگر سه‌بعدی استفاده کردند تا محلول ژلی کشت سلولی را به شکل ساختار خاصی درون پتری دیش (نوعی ظرف آزمایشگاه) قالب‌ریزی کنند و آن را به مدت سه ماه در تاریکی قرار دادند. ولاسکوئز گارسیا می‌گوید حتی با احتساب این دوره، فرایند پژوهشگران تقریباً دو برابر سریع‌تر از زمانی است که طول می‌کشد تا درخت رشد کند و به بلوغ برسد. پس از کامل شدن دوره، ماده حاصل آب‌زدایی شد و پژوهشگران خواص آن را ارزیابی کردند.
ویژگی‌های چوب‌مانند
پژوهشگران دریافتند که سطوح پایین‌تر هورمون باعث تولید مواد گیاهی با سلول‌های گردتر و پراکنده‌تری می‌شود که چگالی پایین‌تری دارند، درحالی‌که سطوح بالاتر هورمون منجر به رشد مواد گیاهی با ساختارهای سلولی کوچک‌تر و متراکم‌تر می‌شود. سطوح بالاتر هورمون همچنین مواد گیاهی سفت‌تری تولید کرد و پژوهشگران توانستند مواد گیاهی را با سطح سفتی مشابه با برخی از چوب‌های طبیعی رشد دهند.
یکی دیگر از اهداف این کار، مطالعه لیگنینی‌شدن (چوبی‌شدن) در مواد گیاهی رشدیافته در آزمایشگاه بود. لیگنین پلیمری است که در دیواره‌های سلولی گیاهان رسوب می‌کند و موجب سفت و چوبی‌شدن آن‌ها می‌شود. آن‌ها دریافتند که سطوح بالاتر هورمون‌ها در محیط رشد موجب چوبی‌شدن بیشتر می‌شود و موجب می‌شود مواد گیاهی حاصل ویژگی‌های چوب را داشته باشند.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که با استفاده از فرایند چاپ سه‌بعدی می‌توان مواد گیاهی را در اشکال و اندازه‌های دلخواه رشد داد. در این فرایند به‌جای آن که از قالب استفاده شود، طرحی که به کمک کامپیوتر تهیه می‌شود، به‌عنوان ورودی به چاپگر سه‌بعدی داده می‌شود و چاپگر مواد را به شکل طرحی که دریافت کرده است، رسوب می‌دهد. برای مثال، پژوهشگران توانستند مواد گیاهی را به شکل درخت همیشه‌سبز کوچکی رشد دهند.
- آیا چوب تولیدشده در آزمایشگاه، جای چوب حاصل از درختان را خواهد گرفت؟
- چرا کشاورزی سلولی می‌تواند آینده کشاورزی باشد؟
بورنشتاین می‌گوید این نوع پژوهش‌ها نسبتاً جدید است. او می‌افزاید، این کار قدرت فناوری مشترک بین مهندسی و زیست‌شناسی را در کمک به حل‌کردن چالش‌های زیست‌محیطی نشان می‌دهد و از پیشرفت‌هایی بهره میبرد که در اصل برای کاربردهای مراقبت‌های بهداشتی ایجاد شده است.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که کشت‌های سلولی می‌توانند تا ماه‌ها پس از چاپ زنده بمانند و رشد کنند و استفاده از ژل ضخیم‌تر برای تولید ساختارهای ضخیم‌تر بر میزان بقای سلول‌های رشدیافته در آزمایشگاه تأثیری ندارد.
قابلیت سفارشی‌سازی
به‌عقیده‌ی ولاسکوئز گارسیا، مزیت رویکرد آن‌ها در این است که می‌توان فرایند را سفارشی کرد و مطابق با خصوصیات چیزی که قرار است ساخته شود و کاربردهای آن، خصوصیات آن را تنظیم کرد.
اکنون که پژوهشگران قابلیت تنظیم کارآمد این تکنیک را نشان داده‌اند، می‌خواهند به آزمایش‌های خود ادامه دهند تا رشد سلولی را بهتر درک و کنترل کنند. آن‌ها همچنین می‌خواهند بررسی کنند که چگونه عوامل شیمیایی و ژنتیکی دیگر می‌توانند رشد سلول‌ها را هدایت کنند.
پژوهشگران همچنین بررسی خواهند کرد که چگونه روش جدید خود را می‌توانند روی گونه جدیدی به کار ببرند. ولاسکوئز گارسیا می‌گوید گل آهار چوب تولید نمی‌کند و اگر قرار باشد این روش برای ایجاد گونه‌های درختی مهم ازنظر تجاری مانند کاج به کار رود، فرایند باید به گونه‌ای طراحی شود که مناسب آن‌گونه باشد.
درنهایت، او امیدوار است که این کار بتواند به گروه‌های پژوهشی دیگر انگیزه دهد تا برای کمک به کاهش جنگل‌زدایی، روی این حوزه از علم بیشتر کار کنند. بک‌ویت می‌گوید درختان و جنگل‌ها ابزار مهمی برای کمک به مدیریت تغییرات اقلیمی هستند و باید با این منابع حساب‌شده برخورد کرد.
