日志记录和农业的环境成本可以减少实验室培养的植物材料吗?

它需要很多木桌上。种植一棵树,把它切下来,运输,轧机…你懂的。这是一个长达数十年的过程。Luis Fernando Velasquez-Garcia建议一个更简单的解决方案:“如果你想要一个表,那么您应该只是增长表。”

Velasquez-Garcia的小组的研究人员提出了一种种植某些植物组织,如木材和纤维,在实验室。仍处于初期阶段,但这个想法是在某些方面类似非养殖肉——简化生产生物材料的机会。团队展示的概念通过增长结构的仿木细胞从最初从zinnia树叶中提取的细胞样本。

虽然还有很长的路从一个表,工作提供了一个可能的起点小说生物材料的生产方法,减轻环境负担的林业和农业。“我们在世纪得到这些材料没有改变,非常低效,“Velasquez-Garcia说。“这是一个真正的机会绕过所有的效率低下。”

这篇论文将发表在《清洁生产》杂志上。阿什利Beckwith作者和机械工程的博士生。合作者是Beckwith co-advisors Velasquez-Garcia,麻省理工学院的微系统技术实验室首席科学家,杰弗里•伯伦斯坦和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室的生物医学工程师。

Beckwith说她总是着迷于植物,和灵感为这个项目当她最近花了时间在农场。她观察到一些固有的低效农业——有些可以管理、肥料消耗领域,而另一些则完全从农民的控制,如天气和季节性。另外,只有一小部分收获植物实际上是用于食品或材料生产。

“让我思考:我们能更战略我们走出我们的流程呢?我们可以得到更多的收益来输入?" Beckwith说。“我想找到更有效的方式使用土地和资源,我们可以让更多的耕地保持野生地区,或继续降低生产但允许更大的生物多样性。“那么,她带进实验室工厂生产。

研究人员增长仿木植物组织在室内,没有土壤和阳光。他们开始zinnia植物,从它的叶子中提取活细胞。团队培养细胞在液体中生长介质,使他们能够代谢和增殖。接下来,他们把细胞成凝胶,“调”,Velasquez-Garcia解释道。“植物细胞类似于干细胞,他们可以成为任何东西,如果他们是诱导”。

研究人员诱导细胞生长刚性,仿木结构使用的混合两种植物激素生长素和细胞分裂素。通过改变这些激素的水平在凝胶,他们控制着细胞的生产木质素、有机聚合物,借木其坚定。Beckwith说她评估细胞成分和结构的最终产品使用荧光显微镜。“你可以直观地评价细胞变得木质化的,你可以测量放大和伸长的细胞。“这个过程表明,植物细胞可以用于生产过程控制,导致材料优化的特定目的。

Velasquez-Garcia认为这项工作是一个扩展他的实验室专注于精密加工和加法制造3 d打印技术。在这种情况下,植物细胞本身做印刷的帮助下凝胶的生长介质。与一个非结构化的液体培养基中,凝胶作为支架的细胞生长在一个特定的形状。”的理念不仅是调整材料的属性,但也从概念、定制形状”Velasquez-Garcia说。因此,他设想的可能性增长表的一天,没有必要的家伙或木材胶。

技术远没有市场化。“问题是技术能否规模和经济或生命周期的基础上竞争,”大卫·斯特恩说,博伊斯的植物生物学家和总裁汤普森研究所,他并没有参与这项研究。他补充说,这种方法扩大“将采取重大的金融和智力投资,”可能来自政府和私人来源。斯特恩还指出,权衡在林业和农业进实验室。”农业使用太阳能通过光合作用,自然降雨——除了灌溉土地。它不需要建筑,热,或人造光。”

研究人员承认它仍然是早期对这些实验室培养的植物组织,团队将继续微调控制,如激素水平和凝胶的pH值,产生最终的材料属性。“这是一个未知的领域,Velasquez-Garcia说。“一个悬而未决的问题是:我们如何翻译这一成功其他植物物种吗?是天真的认为我们可以为每一个物种都做同样的事情。也许他们有不同的控制旋钮。”

Beckwith也预计在大尺度上种植植物组织的挑战,如促进细胞的气体交换。研究小组希望通过进一步的实验来克服这些障碍,最终构建生产蓝图的人造产品,从木材纤维。

这是一个激进的然而优雅的愿景——“一个新的范例,”伯伦斯坦。“这里有一个机会精密加工和加法制造技术的进步,并将其运用于解决在农业领域一些非常重要的问题。”

参考
斯·阿尔伯伦斯坦JT, Velasquez-Garcia低频。可调的植物材料通过体外细胞培养使用Zinnia线虫模型。《清洁生产。2021;288:125571。doi:10.1016 / j.jclepro.2020.125571

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