На изображении показан срез живого материала, созданного фотосинтезом. В правой части изображения показаны скопления клеток водорослей, которые преобразуют солнечный свет, CO2 и воду в глюкозу. Фото: Делфтский технологический университет.
Ученые из Делфтского технического университета выяснили, как изолированные клетки микроводорослей оптимально растут в живых материалах, созданных с помощью фотосинтеза. Используя энергию света, микроводоросли преобразуют CO2 из воздуха в сахара, энергию и кислород для их выживания. Такие живые материалы на основе водорослей можно использовать в самых разных областях: от функциональных объектов до CO2 захват, к источникам кислорода для биологических тканей.
Команда, возглавляемая Мари-Ев Обен-Там и Куналом Масанией, представлен их новые идеи в Передовые материалы.
«Инженерные живые материалы (ELM) — это новый захватывающий класс материалов, которые могут произвести революцию в обществе», — объясняет биофизик Обин-Тэм. «Примером являются фотосинтезирующие живые материалы, в которых растут организмы, активно фотосинтезирующие».
В природе фотосинтезируют многие бактерии, водоросли и растения; они поглощают CO2, вода и свет и производят сахар, чтобы выжить. «Мы изучали ELM с фотосинтезирующими водорослями, которые в конечном итоге можно было бы использовать для доставки кислорода в биологические или искусственно созданные ткани, где подача кислорода часто является ограничивающим фактором для роста». Искусственная инженерия биологических тканей особенно важна в условиях растущей потребности в трансплантации органов.
Контроль роста
«Основное ограничение, которое не позволяет использовать эти материалы в более крупных масштабах, заключается в том, что в настоящее время мы не знаем, как контролировать рост клеток в этих материалах. Это то, что мы исследовали. Мы изучили, как происходит рост клеток. зависит от формы материала, освещенности и доступа к питательным веществам и CO.2», — говорит Обин-Там.
«Мы также смогли показать, что клетки росли преимущественно по краям материала, где у них был лучший доступ к воздуху и свету», — добавляет Чон-Джу О, первый автор статьи. Исследователи обнаружили, что тонкая структура с большой площадью поверхности повышает эффективность ELM. В них относительно большая часть клеток расположена по краям и, следовательно, вблизи воздуха.
У природы есть ответ
Интересно, что природа пришла к такому же выводу, поскольку рост клеток в ELM соответствует строению листа растения. Листья имеют тонкую структуру с большой площадью поверхности, что позволяет большой части клеток подвергаться воздействию солнечного света.
«В наших выводах мы показываем, что доступность света и CO2 является ключевым. Введение в структуры небольшого отверстия для газообмена заметно улучшило рост клеток во внутренних слоях. Однако за это приходится платить ускоренным обезвоживанием, что в конечном итоге вредно для клеток», — говорит ученый-материаловед Масания.
Это поведение также аналогично природе. Листья имеют очень маленькие отверстия, называемые устьицами. «Подобно воротам, листья открывают устьица, чтобы улучшить газообмен, не позволяя при этом вытечь слишком большому количеству воды. Механизмы, реагирующие на нехватку CO2как и устьица листа, будут очень полезны для фотосинтетических ELM и повысят их долговечность и эффективность в будущем», — говорит Масания.
Междисциплинарное сотрудничество
В этом исследовании команда изучила различные формы материалов и их влияние на рост клеток. «Чтобы сделать это, нам нужно было разработать новый состав чернил — материала, который выходит из принтера. Мы искали новые чернила, которые позволили бы нам печатать более крупные и сложные объекты», — объясняет Обин-Там.
Пока ее группа на факультете прикладных наук изучала рост клеток, Масания с факультета аэрокосмической техники решила внести свой вклад в разработку новых чернил для 3D-печати. Вместе с Элвином Караной с факультета промышленного дизайна они исследовали возможности создания 3D-структур живых фотосинтетических материалов для будущего применения.
«Изучение роста клеток внутри ELM имеет решающее значение для их эффективного использования и оптимизации функциональности», — заключает Обин-Там. «Мы надеемся, что наша работа побудит биологов, материаловедов, компьютерщиков и инженеров к дальнейшему исследованию роста клеток и свойств этого нового класса материалов».
Предоставлено Делфтским технологическим университетом
Источник: PHYS.org