麻省理工培育的"人造木头",能减轻伐木和农业带来的环境压力吗?

发布者:bpadmin
发布时间:2021-01-21 05:00
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城农获悉——麻省理工学院的研究人员在实验室里通过植物细胞培养出了木质植物结构,这暗示了更高效生产生物材料的可能性。


图片来源:MIT

做一张木桌或一张椅子要花很多时间和金钱。长出一棵树,砍倒,运输,碾磨…... 而这是一个长达数十年的过程。麻省理工的微系统技术实验室科学家Luis Fernando Velásquez-García提出了一个更简单的解决方案:如果你想要一张桌子,那就应该“种”一张桌子。

Velásquez-García团队提出了一种在实验室中培养特定植物组织的方法,如木材和纤维。这个还处于早期阶段的想法,在某些方面与细胞培养肉概念类似。先将植物细胞放入生长媒介中,然后加入不同的激素和化合物来调整最终的植物组织。目前,该研究团队已经通过从百日菊叶子中提取细胞培养出的木质结构成功的展示了这一概念。

虽然目前的进展与真正的“种出”一张桌子还有很长的距离,但这项研究为生产生物材料方面,减轻林业和农业的环境负担提供了可能的新起点。Velásquez-García认为几个世纪以来,人类获取生物材料的方式没有改变,而且效率非常低,而这项研究提供绕过低效生产模式的机会。

这篇论文已被发表在期刊《Journal Of Cleaner Production》上。机械工程专业的博士生Ashley Beckwith是论文第一作者,她表示一直对植物着迷,该项目的灵感来自于她最近在农场度过的一段时间。她观察到农业固有的一些低效活动,比如收获的植物中只有一小部分实际用于食品或材料生产。那么,是否能更具战略性地看待农业生产过程,以及农业投入能否获得更高的收益?

Ashley Beckwith认为,如果我们能找到一种更有效的方式来利用土地和资源,就可以让更多的耕地保持荒野状态,或者保持较低的开发度,从而允许更多的生物多样性,保护自然栖息地。于是,她尝试着把植物材料生产过程带入实验室。

研究人员在没有土壤和阳光的情况下,在室内培养木质植物组织。他们从百日菊的叶子中提取活细胞,再将细胞培养在液体培养基中,以保持新陈代谢和增殖;接下来,他们将细胞转移到凝胶中,并对其进行调整。这个过程中,植物细胞与干细胞相似,只要经过诱导,就可以变成任何组织。

研究人员使用植物激素的混合物,生长素和细胞分裂素,诱使细胞生长出坚硬的木质结构。通过改变荷尔蒙的水平,控制细胞产生的木质素。木质素是一种有机聚合物,可以增加木材的坚固性。研究人员用荧光显微镜评估了细胞组成和结构,以及木质化的程度,还可以测量细胞的放大和伸长。这个过程证明了植物细胞可以用于受控的生产过程,从而产生针对特定目进行优化的植物材料。

Velásquez-García认为这项研究是微细加工和增材制造技术的延伸,就像3D打印一样。在这种情况下,与非结构化液体介质不同,凝胶可充当细胞生长成特定形状的支架,不仅是调整材料的性能,也是根据概念来调整出形状。因此,他设想有一天可以从实验室中“种”出一张桌子。

未参与这项研究的植物生物学家指出,这个概念面临的问题在于,从经济或生命周期方面来看,是否具有规模化的可能和竞争力。尤其是,传统农林业通过光合作用利用太阳的能量,并且可利用自然降水,不需要建筑物,不需要暖气,也不需要人造光。

Velásquez-García团队亦承认,这项技术还在早期概念阶段,仍在继续微调其步骤,如荷尔蒙水平和凝胶的pH值,都将影响最终组织材料的特性。毫无疑问,这是一个未知的领域,问题是如何成功将这一技术在其他植物物种上复制?

目前,规模化的培养植物材料方面仍面临挑战,例如如何促进细胞之间的气体交换。研究团队希望通过进一步的实验克服这些障碍,并最终为实验室生产植物材料,从木材到纤维,建立一张蓝图。

虽然还处于非常早期的阶段,但麻省理工持续研究的结果可能会对农业和粮食生产方式产生潜在影响,就像实验室里细胞培养的肉一样,在没有动物饲养的环境压力下制造出真正的肉。实验室培养的植物材料可以发生在任何时候和任何地方,并且需要更少的土地,或许将来只要更少的投入成本。

总之,这是一个激进而优雅的愿景,给我们新的机会解决农业领域的一些非常棘手的问题。

文章来源: Ashley L. Beckwith, Jeffrey T. Borenstein, Luis F. Velásquez-García, Tunable plant-based materials via in vitro cell culture using a Zinnia elegans model, Journal of Cleaner Production, Volume 288, 2021, 125571, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125571.
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