Дослідники з MIT перетворили клітини листків цинії, або майорців, у гель, з якого їм вдалося виростити подібну до деревини структуру. У гель вони додали регулятор росту для рослин ауксин та гормон для стимуляції поділу клітин цитокінін, які викликали «здерев’яніння» клітин, утворивши полімер лігнін. Результати з вирощування деревних рослинних клітин у лабораторії вчені представили у статті, опублікованій у журналі Journal of Cleaner Production.
Цинія витончена (Zinnia elegans). Ermell / Wikimedia Commons
Що не так зі звичайною деревиною?
Деревина є одним з найпоширеніших конструкційних матеріалів: вона доступна, має високу міцність за низької густини та теплопровідності. Її, як і будь-яку іншу рослинну сировину, хвалять за відновлюваність. Однак, через збільшення темпів споживання, розчищення лісових масивів призвели до втрати 1,3 мільйона квадратних кілометрів природних лісів в період з 1990 до 2016 року, а вирубка сприяє зникненню видів тварин і рослин та скороченню природних запасів вуглецю. Так маса всіх створених людиною речей зараз вже перевищує загальну біомасу — вагу всіх живих організмів на Землі.
Етапам виробництва рослинної сировини передують величезні витрати ресурсів: земля, вода, добрива і пестициди, витрати на лісозаготівлі та транспортування.Тільки невелика частина оброблюваних культур може бути економічно вигідною — для виробництва деяких натуральних волокон корисний матеріал становить всього 2-4 відсотків зібраного. І тому, поки методи вирощування залишаються незмінними, виготовлення рослинних матеріалів з культур клітин може значно знизити тиск на природні ресурси.
Як вирощують «штучні» біоматеріали?
Живі клітини рослин демонструють вражаючу здатність до змін, тобто вони можуть давати клітини практично будь-якого типу. Вони подібно до стовбурових клітин людини, зберігають здатність диференціюватися у відповідь на сигнали навколишнього середовища. Такі вирощені рослини допомагають формувати більш стійкі культури, легші у переробці матеріали та біопаливо. Особливо така технологія цінна для видів рослин, які знаходяться під загрозою зникнення, повільно відтворюються або не можуть бути розмножені традиційними методами: насінням, живцями, поділом.
У своїй роботі вчені вирішили використати клітинний гель з листя цинії витонченої (Zinnia elegans) або майорців. За їхніми словами, це дає змогу «налаштовувати» рослинні клітини за невеликої кількості матеріалу від батьківської рослини, з яких можна витягнути і розмножити клітини та виготовити досить великі обсяги рослинної речовини. Це дасть змогу виготовляти лише цінні для виробництва рослинні компоненти без непридатних для використання елементів на кшталт кори, маленьких гілочок, коренів або листя, що знизить кількість відходів, пов'язаних з процесом виробництва біоматеріалу.
Як виростити дерево з майорців?
Дослідники вирощували деревні тканини з майорцю, взявши живі клітини з його листя. Їх культивували у рідкому поживному середовищі, яке дало змогу клітинам метаболізувати та розмножитися. У жорстку, схожу на дерево структуру, суміш перетворили рослинні гормони ауксин та цитокінін, які використовуються для швидшого росту рослин. Варіюючи рівні цих гормонів у гелі, вчені контролювали вироблення клітинами лігніну, органічного полімеру, який відповідає за міцність деревини. На відміну від неструктурованого рідкого середовища, гель діяв як каркас для росту клітин у структури певної форми.
Так вчені не просто адаптували властивості матеріалу, а й змінили його форму з самого початку. Втім, поки технологія далека від масової, адже невідомо, чи можна буде її масштабувати до виробничих вимог та чи буде вона конкурентоспроможною з огляду на необхідні ресурси для виготовлення та строк служби таких матеріалів. Однак, вчені зазначають, що вже збираються перевірити свій метод і на інших рослинах.