Hacia una madera personalizable, cultivada en un laboratorio

Cada año, el mundo pierde alrededor de 10 millones de hectáreas de bosque, un área del tamaño de Islandia, debido a la deforestación. A ese ritmo, algunos científicos predicen que los bosques del mundo podrían desaparecer en 100 a 200 años.

En un esfuerzo por proporcionar una alternativa respetuosa con el medio ambiente y de bajo desperdicio, los investigadores del MIT han sido pioneros en una técnica sintonizable para generar material vegetal similar a la madera en un laboratorio, lo que podría permitir que alguien «cultive» un producto de madera como una mesa sin necesidad de hacerlo. talar árboles, procesar madera, etc.

Estos investigadores ahora han demostrado que, mediante el ajuste de ciertos productos químicos utilizados durante el proceso de crecimiento, pueden controlar con precisión las propiedades físicas y mecánicas del material vegetal resultante, como su rigidez y densidad.

También muestran que, utilizando técnicas de bioimpresión 3D, pueden cultivar material vegetal en formas, tamaños y formas que no se encuentran en la naturaleza y que no se pueden producir fácilmente con métodos agrícolas tradicionales.

«La idea es que puede cultivar estos materiales vegetales exactamente en la forma que necesita, por lo que no necesita hacer ninguna fabricación sustractiva después del hecho, lo que reduce la cantidad de energía y desperdicio. Hay mucho potencial para expandir esto y hacer crecer estructuras tridimensionales», dice la autora principal Ashley Beckwith, una reciente Ph.D. graduado.

Aunque todavía está en sus inicios, esta investigación demuestra que los materiales vegetales cultivados en laboratorio se pueden ajustar para que tengan características específicas, lo que algún día podría permitir a los investigadores cultivar productos de madera con las características exactas necesarias para una aplicación en particular, como alta resistencia para soportar las paredes. de una casa o ciertas propiedades térmicas para calentar una habitación de manera más eficiente, explica el autor principal Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT.

Junto a Beckwith y Velásquez-García en el artículo está Jeffrey Borenstein, ingeniero biomédico y líder de grupo en el Laboratorio Charles Stark Draper. La investigación se publica hoy en Materiales hoy.

Células de siembra

Para comenzar el proceso de cultivo de material vegetal en el laboratorio, los investigadores primero aíslan células de las hojas de plantas jóvenes de Zinnia elegans. Las células se cultivan en medio líquido durante dos días, luego se transfieren a un medio basado en gel, que contiene nutrientes y dos hormonas diferentes.

Ajustar los niveles hormonales en esta etapa del proceso permite a los investigadores ajustar las propiedades físicas y mecánicas de las células vegetales que crecen en ese caldo rico en nutrientes.

«En el cuerpo humano, tienes hormonas que determinan cómo se desarrollan tus células y cómo emergen ciertos rasgos. De la misma manera, al cambiar las concentraciones de hormonas en el caldo nutritivo, las células vegetales responden de manera diferente. Simplemente manipulando estas diminutas cantidades químicas, podemos provocar cambios bastante dramáticos en términos de los resultados físicos», dice Beckwith.

En cierto modo, estas células vegetales en crecimiento se comportan casi como células madre: los investigadores pueden darles pistas para decirles en qué convertirse, agrega Velásquez-García.

Usan una impresora 3D para extruir la solución de gel de cultivo celular en una estructura específica en una placa de Petri y la dejan incubar en la oscuridad durante tres meses. Incluso con este período de incubación, el proceso de los investigadores es aproximadamente dos órdenes de magnitud más rápido que el tiempo que tarda un árbol en crecer hasta la madurez, dice Velásquez-García.

Después de la incubación, el material basado en células resultante se deshidrata y luego los investigadores evalúan sus propiedades.

Características similares a la madera

Descubrieron que los niveles más bajos de hormonas producían materiales vegetales con células más redondeadas y abiertas que tenían una densidad más baja, mientras que los niveles más altos de hormonas conducían al crecimiento de materiales vegetales con estructuras celulares más pequeñas y densas. Los niveles hormonales más altos también produjeron material vegetal más rígido; los investigadores pudieron cultivar material vegetal con un módulo de almacenamiento (rigidez) similar al de algunas maderas naturales.

Otro objetivo de este trabajo es estudiar lo que se conoce como lignificación en estos materiales vegetales cultivados en laboratorio. La lignina es un polímero que se deposita en las paredes celulares de las plantas, lo que las vuelve rígidas y leñosas. Descubrieron que los niveles más altos de hormonas en el medio de crecimiento causan más lignificación, lo que daría lugar a material vegetal con más propiedades similares a la madera.

Los investigadores también demostraron que, utilizando un proceso de bioimpresión 3D, el material vegetal se puede cultivar en una forma y tamaño personalizados. En lugar de usar un molde, el proceso implica el uso de un archivo de diseño asistido por computadora personalizable que se alimenta a una bioimpresora 3D, que deposita el cultivo de gel celular en una forma específica. Por ejemplo, pudieron cultivar material vegetal en forma de un pequeño árbol de hoja perenne.

La investigación de este tipo es relativamente nueva, dice Borenstein.

«Este trabajo demuestra el poder que una tecnología en la interfaz entre la ingeniería y la biología puede aportar a un desafío ambiental, aprovechando los avances desarrollados originalmente para aplicaciones de atención médica», agrega.

Los investigadores también muestran que los cultivos celulares pueden sobrevivir y continuar creciendo durante meses después de la impresión, y que el uso de un gel más espeso para producir estructuras de material vegetal más gruesas no afecta la tasa de supervivencia de las células cultivadas en laboratorio.

‘Disponible para la personalización’

«Creo que la verdadera oportunidad aquí es ser óptimo con lo que usas y cómo lo usas. Si quieres crear un objeto que sirva para algún propósito, hay expectativas mecánicas que considerar. Este proceso es realmente susceptible de personalización. , dice Velásquez-García.

Ahora que han demostrado la capacidad de ajuste efectiva de esta técnica, los investigadores quieren continuar experimentando para poder comprender y controlar mejor el desarrollo celular. También quieren explorar cómo otros factores químicos y genéticos pueden dirigir el crecimiento de las células.

Esperan evaluar cómo su método podría transferirse a una nueva especie. Las plantas de zinnia no producen madera, pero si este método se usara para hacer una especie de árbol comercialmente importante, como el pino, el proceso tendría que adaptarse a esa especie, dice Velásquez-García.

En última instancia, tiene la esperanza de que este trabajo pueda ayudar a motivar a otros grupos a sumergirse en esta área de investigación para ayudar a reducir la deforestación.

«Los árboles y los bosques son una herramienta increíble para ayudarnos a gestionar el cambio climático, por lo que ser tan estratégicos como podamos con estos recursos será una necesidad social en el futuro», agrega Beckwith.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.