Forscher des MIT finden Möglichkeit Pflanzen in bestimmten Formen zu züchten

Forscher des Massachusetts Institute of Technology zeigen, dass sie die Eigenschaften von im Labor gezüchtetem Pflanzenmaterial kontrollieren können, was die Herstellung von Holzprodukten mit wenig Abfall ermöglichen könnte.

Jedes Jahr gehen weltweit etwa 10 Millionen Hektar Wald – eine Fläche von der Größe Islands – durch Abholzung verloren. Einige Wissenschaftler sagen voraus, dass bei diesem Tempo die Wälder der Welt in 100 bis 200 Jahren verschwunden sein könnten.

In dem Bestreben, eine umweltfreundliche und abfallarme Alternative zu schaffen, haben Forscher des MIT eine einstellbare Technik zur Erzeugung von holzähnlichem Pflanzenmaterial im Labor entwickelt, die es ermöglichen könnte, ein Holzprodukt wie einen Tisch zu “züchten”, ohne Bäume fällen, Holz verarbeiten usw. zu müssen.

Die Forscher haben nun gezeigt, dass sie durch die Einstellung bestimmter Chemikalien, die während des Wachstumsprozesses verwendet werden, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des entstehenden Pflanzenmaterials, wie z. B. seine Steifigkeit und Dichte, genau steuern können.

Sie zeigen auch, dass sie mit Hilfe von 3D-Bioprinting-Techniken Pflanzenmaterial in Formen, Größen und Ausprägungen züchten können, die in der Natur nicht vorkommen und mit herkömmlichen landwirtschaftlichen Methoden nicht ohne weiteres hergestellt werden können.

“Die Idee ist, dass man diese Pflanzenmaterialien in genau der Form züchten kann, die man braucht, so dass man keine subtraktive Herstellung im Nachhinein vornehmen muss, was die Menge an Energie und Abfall reduziert. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu erweitern und dreidimensionale Strukturen zu züchten”, sagt die Hauptautorin Ashley Beckwith, die vor kurzem ihren Doktortitel erworben hat.

Obwohl diese Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, zeigt sie, dass im Labor gezüchtete pflanzliche Materialien auf bestimmte Eigenschaften abgestimmt werden können, was es den Forschern eines Tages ermöglichen könnte, Holzprodukte mit genau den Merkmalen zu züchten, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden, z. B. eine hohe Festigkeit, um die Wände eines Hauses zu stützen, oder bestimmte thermische Eigenschaften, um einen Raum effizienter zu beheizen, erklärt der Hauptautor Luis Fernando Velásquez-García, ein leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories des MIT.

Neben Beckwith und Velásquez-García hat auch Jeffrey Borenstein, biomedizinischer Ingenieur und Gruppenleiter am Charles Stark Draper Laboratory, an der Studie mitgearbeitet. Die Forschungsergebnisse werden in Materials Today veröffentlicht.

Zellen pflanzen

Um mit dem Anbau von Pflanzenmaterial im Labor zu beginnen, isolieren die Forscher zunächst Zellen aus den Blättern junger Zinnia elegans-Pflanzen. Die Zellen werden zwei Tage lang in einem flüssigen Medium kultiviert und dann in ein Medium auf Gelbasis überführt, das Nährstoffe und zwei verschiedene Hormone enthält.

Durch die Anpassung des Hormonspiegels in diesem Stadium des Prozesses können die Forscher die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Pflanzenzellen, die in dieser nährstoffreichen Brühe wachsen, einstellen.

“Im menschlichen Körper gibt es Hormone, die bestimmen, wie sich die Zellen entwickeln und wie sich bestimmte Eigenschaften ausprägen. Wenn man die Hormonkonzentration in der Nährstoffbrühe verändert, reagieren die Pflanzenzellen auf die gleiche Weise. Allein durch die Manipulation dieser winzigen chemischen Mengen können wir ziemlich dramatische Veränderungen in Bezug auf die physikalischen Ergebnisse bewirken”, sagt Beckwith.

In gewisser Weise verhalten sich diese wachsenden Pflanzenzellen fast wie Stammzellen – die Forscher können ihnen Hinweise geben, was sie werden sollen, fügt Velásquez-García hinzu.

Sie verwenden einen 3D-Drucker, um die Zellkulturgel-Lösung in eine bestimmte Struktur in einer Petrischale zu extrudieren, und lassen sie drei Monate lang im Dunkeln inkubieren. Selbst mit dieser Inkubationszeit ist das Verfahren der Forscher etwa zwei Größenordnungen schneller als die Zeit, die ein Baum braucht, um zur Reife zu gelangen, sagt Velásquez-García.

Nach der Inkubation wird das entstandene zellbasierte Material entwässert, und dann bewerten die Forscher seine Eigenschaften.

Holzähnliche Eigenschaften

Sie stellten fest, dass niedrigere Hormonspiegel zu Pflanzenmaterial mit runderen, offenen Zellen mit geringerer Dichte führten, während höhere Hormonspiegel das Wachstum von Pflanzenmaterial mit kleineren, dichteren Zellstrukturen bewirkten. Höhere Hormonspiegel führten auch zu steiferem Pflanzenmaterial; die Forscher konnten Pflanzenmaterial mit einem Speichermodul (Steifigkeit) züchten, das dem einiger natürlicher Hölzer ähnelt.

Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der so genannten Lignifizierung in diesen im Labor gezüchteten Pflanzenmaterialien. Lignin ist ein Polymer, das sich in den Zellwänden von Pflanzen ablagert und sie steif und holzig macht. Sie fanden heraus, dass ein höherer Hormongehalt im Wachstumsmedium eine stärkere Verholzung bewirkt, was zu einem Pflanzenmaterial mit holzähnlichen Eigenschaften führen würde.

Die Forscher zeigten auch, dass das Pflanzenmaterial mit Hilfe eines 3D-Biodruckverfahrens in einer individuellen Form und Größe gezüchtet werden kann. Anstelle einer Form wird bei diesem Verfahren eine anpassbare computergestützte Designdatei verwendet, die an einen 3D-Biodrucker weitergeleitet wird, der die Zellgelkultur in eine bestimmte Form bringt. So konnten sie beispielsweise Pflanzenmaterial in Form eines winzigen immergrünen Baums züchten.

“Diese Arbeit zeigt, welche Möglichkeiten eine Technologie an der Schnittstelle zwischen Technik und Biologie bietet, um ein Umweltproblem zu lösen, indem sie Fortschritte nutzt, die ursprünglich für Anwendungen im Gesundheitswesen entwickelt wurden”, fügt er hinzu.

Die Forscher zeigen auch, dass die Zellkulturen nach dem Druck monatelang überleben und weiter wachsen können und dass die Verwendung eines dickeren Gels zur Herstellung dickerer Strukturen aus Pflanzenmaterial keinen Einfluss auf die Überlebensrate der im Labor gezüchteten Zellen hat.

Anpassungsfähig

“Ich denke, die wirkliche Chance liegt darin, dass man das, was man verwendet und wie man es verwendet, optimal nutzen kann. Wenn man ein Objekt schaffen will, das einem bestimmten Zweck dient, muss man die mechanischen Anforderungen berücksichtigen. Dieser Prozess lässt sich wirklich gut anpassen”, sagt Velásquez-García.

Nachdem sie nun die effektive Abstimmbarkeit dieser Technik demonstriert haben, wollen die Forscher weiter experimentieren, um die zelluläre Entwicklung besser verstehen und steuern zu können. Sie wollen auch untersuchen, wie andere chemische und genetische Faktoren das Wachstum der Zellen steuern können.

Sie hoffen zu prüfen, wie ihre Methode auf eine neue Art übertragen werden kann. Zinnienpflanzen produzieren kein Holz, aber wenn diese Methode zur Herstellung einer kommerziell wichtigen Baumart wie der Kiefer verwendet würde, müsste das Verfahren auf diese Art zugeschnitten werden, sagt Velásquez-García.

Letztendlich hofft er, dass diese Arbeit dazu beitragen kann, andere Gruppen zu motivieren, in dieses Forschungsgebiet einzutauchen, um die Abholzung zu verringern.

“Bäume und Wälder sind ein großartiges Instrument zur Bewältigung des Klimawandels, daher ist ein möglichst strategischer Umgang mit diesen Ressourcen eine gesellschaftliche Notwendigkeit für die Zukunft”, fügt Beckwith hinzu.

Diese Forschung wird zum Teil vom Draper Scholars Program finanziert.

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