ساختمان‌هایی که با مواد زنده ساخته می‌شوند/ارائه مهندسی پایدار با مواد زنده مهندسی

به گزارش خبرنگار علم و فناوری آنا، مواد زنده مهندسی‌شده به عنوان مواد فعال و پیشرفته از داربستی تشکیل شده‌اند که توسط سلول‌های زنده پر شده یا حتی از این سلول‌ها ساخته شده‌اند که به روش‌های خاصی به محرک‌های مختلف واکنش نشان می‌دهند. نکته چشمگیرتر، توانایی آنها در حفظ، تنظیم یا التیام خود است.

این مواد را می‌توان با استفاده از انواع سلولی با رشد آسان مانند مخمر، قارچ و سویه‌های باکتری با رشد سریع مانند «اشریشیا کولی» یا «باسیلوس سوبتیلیس» برای دستیابی به پاسخ مواد مورد نظر ساخت.

با این حال، برای ارائه پاسخ مواد مناسب، سلول‌ها باید بتوانند در محیط مهندسی‌شده خود رشد کنند، درست همان‌طور که در زیستگاه طبیعی خود یا در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده رشد می‌کنند.

یکی از زمینه‌های کاربردی جالب استفاده از سلول‌های زنده برای ساخت مصالح ساختمانی پاسخگو و پایدار است. آنها می‌توانند برای ترمیم نمای خارجی آسیب‌دیده یک ساختمان یا پیاده‌رو به‌سادگی با رشد برای پر کردن فضا یا رفع تغییر رنگ در ساختمان‌ها بدون نیاز به کار دستی یا نقاشی استفاده شوند.

اگرچه این کاربردها آینده‌نگرانه هستند، اما باکتری‌ها در محدوده دمایی خاص رشد می‌کنند و مفهوم هماهنگ کردن دمای رشد ایدئال با نوسانات دمای طبیعی فصلی را به چالش می‌کشد.

ساخت ماده ای مبتنی بر باکتری برای تعدیل دمای ساختمان

برای غلبه بر این مشکل، گروهی از پژوهشگران دانشگاه Caltech به رهبری «میخائیل شاپیرو» و «جولیا کورنفیلد»، ماده ای مبتنی بر باکتری ساخته اند که قادر است به طور استراتژیک نور خورشید را برای تعدیل دما برای تولید پروتئین و رشد سلولی مهار کند.

این اجازه می دهد تا پاسخ مطلوبی به تغییرات دمای بیرونی اجتناب ناپذیر در بالا و پایین دمای بهینه سلول ها داده شود تا جمعیت باکتری ها سالم بماند و مواد کاملاً کاربردی و پاسخگو باشند.

«لیالیا شیونگ» یکی دیگر از اعضای این گروه به همراه کورنفیلد و شاپیرو وقت گذاشتند تا در مورد مواد زنده مهندسی شده خود و نحوه استفاده از آنها به عنوان مصالح ساختمانی در انواع کاربردهای فضای باز، از شهرها گرفته تا روستایی و حیاط خلوت خانه ها با ما صحبت کنند.

پرسش و پاسخ در خصوص این ماده به شرح زیر است؛

مواد زنده مهندسی شده چیست؟

لیالیا شیونگ: مواد زنده مهندسی شده، دارای خواص زنده هستند. آنها می توانند از سلول های داخل یک ماده مصنوعی تشکیل شده باشند یا می توانند به طور کامل از سلول ها و پلیمرهایی تشکیل شده باشند که در حال ساخت و ترشح برای تشکیل یک ماده شبکه ای هستند.

تاریخچه آنها چیست؟

لیالیا شیونگ: در حال حاضر زیست شناسی مصنوعی حدود 20 سال قدمت دارد و علاقه برای تبدیل سلول های مهندسی شده به مواد در دهه گذشته بسیار افزایش یافته است.

میخائیل شاپیرو: این یک چشم انداز دیرینه است که ما می توانیم بر اساس موجودات زنده مواد بسازیم. در واقع، ما در حال حاضر این کار را همیشه انجام می دهیم. درختان اطراف ما یک ماده زنده هستند اما نه یک ماده زنده مهندسی شده.

ایده این است که از قابلیت‌های سیستم‌های بیولوژیکی برای ساخت انواع جدیدی از موادی که در طبیعت وجود ندارند استفاده کنیم. این رویای مهندسان زیست شناسی و زیست شناسان مصنوعی برای چند دهه بوده است.

 کجا اعمال می شوند و چه ارتباطی با هم دارند؟

لیالیا شیونگ: همانطور که میخائیل گفت، چون ساختن چنین موادی نسبتاً جدید است، فکر می‌کنم اکثر مطالعات در مرحله اثبات مفهوم هستند. با این حال، چیزی که واقعاً در مورد ایده یک ماده زنده مهندسی شده جالب است، و اینکه چرا ما بسیار مشتاق ساختن آنها هستیم، این است که سلول های زنده دارای خواص شگفت انگیزی مانند توانایی رشد از مقدار کم به مقدار زیاد، مانند درختان، هستند که از یک بلوط کوچک شروع می شود و به یک بلوط بزرگ تبدیل می شود.

توانایی کنترل موادی که از طریق مهندسی رشد می دهید بسیار جالب خواهد بود. خود درمانی نیز وجود دارد. سلول هایی که ما استفاده می کنیم «E. coli» هستند و خیلی سریع تکثیر می شوند.

اگر با نوعی پارگی یا سوراخ به مواد خود آسیب برسانید، امید این است که سلول ها تقسیم شوند و بتوانند آن فضا را پر کنند و چون [آنها پلیمرهایی برای ساختن] خود مواد، تولید می کنند، می توانید زخمی التیام یافته داشته باشید که تقریباً با قسمت اعظم مواد یکسان است و شما جای زخم زیادی نخواهید داشت.

آیا می توانید از سلول های هر موجود زنده ای برای ایجاد این مواد استفاده کنید و آیا محدودیت های فنی و اخلاقی وجود دارد؟

لیالیا شیونگ: ما با باکتری ها کار می کنیم که عموماً بی خطر هستند. E coli یک باکتری مشترک است که به طور طبیعی در بدن یافت می شود. در انسان، به طور کلی رابطه خوبی با آنها داریم. «ب. سوبتیلیس» استفاده شده توسط همکاران ما نیز عموماً برای انسان بی خطر است. سیستم‌هایی که ما استفاده می‌کنیم یک به یک نیستند، بنابراین نمی‌توانیم هیچ باکتری را به آنها وصل کنیم، اما می‌توان آن‌ها را نسبتاً به راحتی برای استفاده در باکتری‌های دیگر تطبیق داد.

 من می دانم که در جامعه مواد زنده مهندسی شده، علاقه زیادی به استفاده از قارچ وجود دارد. به عنوان مثال، مخمر معمولاً در زیست شناسی مصنوعی استفاده می شود، اما علاقه به قارچ نیز وجود دارد، زیرا قارچ ها می توانند به سرعت فوق العاده رشد کنند و میسلیوم یک ماده بسیار سخت است و ممکن است ساختن آن در ساختارهای سه بعدی آسان تر باشد، در حالی که نمونه های ما پیش بینی می شود بیشتر به عنوان پوشش استفاده شوند.

چگونه ساخته می شوند؟

لیالیا شیونگ: موادی که همکاران ما در آزمایشگاه تیرل Caltech در حال توسعه آن هستند از E. coli یا B. subtilis [هر دو باکتری] به عنوان جزء زنده استفاده می کنند. کار من E. coli بود و روشی که ما نمونه‌های مدل را برای مطالعه خود ساختیم این بود که ابتدا تعداد کمی سلول را در کشت مایع رشد دهیم.

E. coli برای رشد در محیط های مایع بسیار سازگار است و سلول ها زمانی که در یک انکوباتور کنترل شده قرار دارند خیلی سریع تکثیر می شوند.

سپس E. coli را از طریق فیلتراسیون روی یک غشای پلی کربنات نازک قرار می دهیم و این لایه واقعاً نازکی را رسوب می دهد که به سختی با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. سپس به رشد آنها روی غشای پلی کربنات ادامه می دهیم. من روی مقیاس سانتی‌متری کار کردم، اما تصور می‌کنیم که این مواد می‌توانند سطح وسیعی را بپوشانند و تا ضخامت بالقوه چند میلی‌متر رشد کنند.

آیا می توانید از سلول های انسانی استفاده کنید؟

میخائیل شاپیرو: فکر می کنم استفاده از رده سلولی پستانداران دشوارتر است، اگرچه فکر نمی کنم غیرممکن باشد. به طور کلی، آنها سخت تر هستند و کندتر از سلول های باکتری تقسیم می شوند.

سلول های گیاهی چطور؟

جولیا کورنفیلد : محققان در Caltech در حال کار بر روی رشد سلول‌های گیاهی در حالت تعلیق و استفاده از این حالت رشد است تا آنها را به روش‌های جدیدی با مواد دیگر ترکیب کنند.

او هنوز این کار را بر روی فیلم انجام نداده است، اما افرادی هستند که این کار را انجام می دهند. یکی از همکارمان در حال توسعه ابزارهای جدیدی برای ویرایش ژنوم گیاهان است تا عملکرد مهندسی شده مورد نظر را به آنها بدهد و در نتیجه ممکن است با مواد زنده باکتریایی گرده افشانی متقابل داشته باشد. همچنین دیدن اینکه چه اتفاقی برای قارچ می افتد، هیجان انگیز خواهد بود.

گروه شما به تازگی یک ویژگی واکنش پذیر به دما را برای بهبود عملکرد مواد زنده اجرا کرده است. چه چیزی باعث این اصلاح شد؟ این ویژگی جدید چگونه کار می کند و چگونه آن را پیاده سازی کردید؟

لیالیا شیونگ: همانطور که گفتم، ما با E. coli کار می کنیم، که یک ستاره در زیست شناسی مصنوعی است زیرا برای چندین دهه به خوبی مطالعه شده است و ما می دانیم که چگونه آن را مهندسی کنیم. برای ما بی خطر است زیرا در داخل بدن ما رشد می کند، اما این بدان معناست که ما باید آنها را در دمای 37 درجه سانتیگراد نگه داریم. E. coli واقعاً با این دما سازگار شد که برای تولید پروتئین و سرعت رشد آنها بهینه است.

اگر بخواهیم سلول های E. coli را بگیریم و از آنها در کاربردهای خارج از بدن انسان استفاده کنیم، به عنوان مثال به عنوان یک ماده ساختمانی زنده، در حال رشد و خود ترمیم شونده، آنگاه در معرض نوسانات دمایی روز و شب و فصلی قرار خواهند گرفت.

نگرانی این است که اگر سلول های E. coli در معرض دمای بیرونی 25 درجه سانتیگراد قرار گیرند، به کندی رشد می کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، ویژگی‌های مطلوب تبدیل از یک نمونه کوچک به یک ماده بزرگ را از دست می دهیم و قابلیت خود ترمیمی و حتی عملکرد ایجاد پلیمرهایی که مواد را تشکیل می‌دهند، وجود نخواهد داشت.

برعکس، اگر E.coli بیش از حد گرم شود، آنها شروع به از دست دادن توانایی خود در ساخت پروتئین می کنند و بنابراین ما می خواستیم راهی برای E. coli داشته باشیم تا خنک شدن را حس کند( در واقع دمای هوایی که انسان در آن زندگی می کند) سپس یک مکانیسم محافظ را روشن می کنیم. روشی که ما اجرا کردیم این بود که وقتی باکتری ها احساس سرما می کنند، رنگدانه سیاهی تولید می کنند و به آنها اجازه می دهد انرژی خورشید را جذب کرده و گرم شوند.

میخائیل شاپیرو: فقط می خواهم اشاره کنم که برای پیدایش این پروژه، لیالیا فرد مناسبی برای رهبری این نوع کار بود. پس از فارغ التحصیلی از دوره کارشناسی خود در MIT، مدتی را صرف کار با یک شرکت مصالح ساختمانی مصنوعی کرد که در آنجا نگران تنظیم حرارتی کل ساختمان ها بودند.

برای او بسیار طبیعی بود که به Caltech بیاید، با زیست شناسان مصنوعی و مهندسان مواد ملاقات کند و سپس شروع به کار بر روی مشکل باکتری های مهندسی کند تا همان کاری را انجام دهد که قبلاً برای کل ساختمان ها مهندسی کرده بود.

چقدر طول می کشد تا این مواد زنده اصلاح شده به طور کامل مونتاژ و آماده استفاده شوند؟

لیالیا شیونگ : در مقیاس آزمایشگاهی، ما باکتری‌ها را در قالب پچ جامد رشد می‌دادیم تا محیط مواد زنده را تا سه روز و احتمالاً بیشتر شبیه‌سازی کنیم. ما فرصت انجام مطالعاتی در زمینه رشد سطح بسیار بزرگ تری نداشته ایم، بنابراین فکر می کنم این سوال در حال حاضر بی پاسخ است. همه همکاران ما نیز در مقیاس سانتی متری مشابه کار می کنند.

میخائیل شاپیرو: این در مورد توسعه یک مجموعه اساسی از قابلیت‌ها است که همراه با سایر مؤلفه‌ها امکان افزایش مقیاس بزرگ‌تر را فراهم می‌کند و در برخی مواقع کاربردهایی در این زمینه خواهد داشت. در این مرحله، توانایی تنظیم دما برای ایجاد رشد پایدار است. عملکرد این انواع سلول یک قطعه پازل واقعا مهم است که ما در پازل قرار می دهیم.

جولیا کورنفیلد: این هنوز واقعاً علمی تخیلی است، اما چیزی که می توانید تصور کنید این است که یک شیشه ازمایشگاهی مایع داشته باشید و به جای اینکه کمی روی یک تکه کوچک پخش کنید، روشی دارید که به شما امکان می دهد سطح بزرگی را تلقیح کنید که می تواند طی مدت کوتاهی، مثلا سه روز، رشد کند. این پدیده ای در آینده است و هیچ زیرساختی برای نشان دادن آن وجود ندارد.

پس از ایجاد این لایه نازک، باکتری‌های شما چقدر زنده می‌مانند و آیا روش‌های مختلفی برای تغذیه آن‌ها وجود دارد تا مواد مناسب و زنده بماند؟

لیالیا شیونگ: ما تصور می کنیم که باکتری روی یک غشای پلی کربنات نشسته باشد که متخلخل است و به مواد مغذی و آب اجازه عبور می دهد و سپس دارای لوله های داخلی برای آوردن مواد مغذی تازه و دفع مواد زائد است زیرا باکتری ها گرسنه هستند.

واقعاً می توانید سرعت رشد را با محدود کردن یا اضافه کردن مواد مغذی بیشتر کنترل کنید، بنابراین این چیزی است که ممکن است بعدا جالب باشد. نکته جذاب بعدی این است که اگر شروع به گرسنگی دادن آنها کنید، لزوماً فوراً نمی میرند، که این نیز یک ویژگی خوب است.

متوجه شدم که «آگار» (ماده ژلاتینی که از جلبک دریایی استخراج می‌شود که معمولاً در زیست‌شناسی مصنوعی برای رشد سلول‌ها استفاده می‌شود) لزوماً بهترین محیط برای رشد نمونه‌های مواد زنده ما نیست زیرا در شرایط رشد ما نسبتاً سریع خشک می‌شود.

فهمیدم که می‌توانیم از محیط مایع استفاده کنیم و سپس سیستم گردش خون را با استفاده از عملکرد مویرگی از طریق یک فوم یا اسفنج تقلید کنیم تا محیط مایع را به سمت باکتری‌ها برسانیم. این به کاهش برخی از مشکلاتی که در مورد آگار دیدیم کمک کرد که در آن کل ظرف پتری کوچک می‌شود و مواد مغذی برای باکتری‌ها را متوقف می‌کند.

تصور ما این بود که حتی فقط با استفاده از این اسفنج یا سیستم فوم می‌توانیم مواد مغذی را به یک مخزن پمپ کنیم و سپس توسط اسفنج به باکتری‌ها برسانیم و همچنین از ته آن خارج شوند. به این ترتیب ما بین جایی که مواد مغذی ذخیره می شوند و سایر موادمان، فاصله می اندازیم.

استفاده روزانه را کجا متصور هستید و برای دستیابی به تولید در مقیاس صنعتی چه چیزی لازم است؟

لیالیا شیونگ: مزیت مواد زنده، همانطور که جولیا قبلاً اشاره کرد، این است که شما یک کشت آغازین کوچک را به سایت خود وارد می کنید و می توانید از منابع محلی برای تامین آب و مواد مغذی آن استفاده کرده و سپس مواد تخصصی خود را از منابع محلی واقعاً اولیه پرورش دهید. به عنوان مثال، این امر در ارتش مفید خواهد بود، زیرا آنها اغلب از بخش‌هایی از تمدن بسیار دور هستند. در خارج از ارتش، این می تواند به طور کلی در مناطق روستایی بسیار مفید باشد.

میخائیل شاپیرو: امیدوارم روزی، شاید چند دهه بعد، نقاشی خانه ام را با یک رنگ زنده انجام دهم، جایی که آن رنگ زنگ می زند و خودش را ترمیم می کند و خانه را زیبا جلوه می دهد، شاید در طول فصول رنگ تغییر کند. فکر می کنم که در اصل باید این امکان وجود داشته باشد، فقط یک مسئله زمان است که به آنجا برسیم.

هزینه های تولید چقدر خواهد بود؟

میخائیل شاپیرو: چالش‌هایی با مواد زنده وجود دارد، زیرا شما باید مواد مغذی را برای آن‌ها تامین کنید و توانایی جذب مواد مغذی از محیط، چیزی است که ما به طور ایده‌آل در این مواد مهندسی می‌کنیم، شاید با مسیرهای فتوسنتزی. فکر می کنم این هزینه اصلی خواهد بود. زیبایی استفاده از زیست شناسی این است که رشد می کند، بنابراین می توانید با تعداد کمی سلول شروع کنید و رشد و مونتاژ آن را به مواد پیچیده تری تبدیل کنید. حدس می زنم که شروع با مواد بیولوژیکی نباید آنقدر گران باشد. هزینه نگهداری و مواد مغذی بیشتر خواهد بود.

آیا پیشرفتی در مواد زنده وجود دارد که دوست دارید در آینده شاهد آن باشید ؟

جولیا کورنفیلد: ایده داشتن دمای خودتنظیمی این است که خود را قادر به انجام کار دیگری کنید، بنابراین نگاه کردن به تداخل بین عملکردها واقعا جالب خواهد بود و دیدن اینکه آیا اعطای قابلیت یکنواخت نگه داشتن دما واقعاً توانایی شما را در انجام کار افزایش می دهد یا خیر. برخی دیگر عملکرد بهتری دارند این گام بعدی بسیار هیجان انگیز خواهد بود.

اگر مواد زنده مهندسی شده شما به صورت تجاری در دسترس باشد، چه معنایی برای شما خواهد داشت؟

میخائیل شاپیرو: شخصاً فکر می کنم کمی زود است که به چشم انداز تجاری این نوع مواد فکر کنیم. در این مرحله ما سعی می کنیم طرز فکر مردم را در مورد آنچه امکان دارد، تغییر دهیم. برای تبدیل مواد زنده مهندسی شده به یک واقعیت تجاری معمولی، نه فقط از گروه های ما، بلکه واقعاً از جامعه زیست شناسی مصنوعی گسترده تر، کار بسیار بیشتری لازم است.