Os cientistas preveem que as florestas do mundo podem desaparecer em apenas 100 anos, devido ao desmatamento. Em um esforço para fornecer uma alternativa ecológica e de baixo desperdício à fabricação convencional de madeira, pesquisadores do MIT desenvolveram uma técnica ajustável para gerar material vegetal semelhante à madeira, cultivado em laboratório, que poderia permitir o “cultivo” de um produto de madeira, como uma mesa, sem precisar cortar árvores, processar madeira, etc.
Os pesquisadores demonstraram que, ao ajustar certos produtos químicos usados durante o processo de cultivo da madeira, eles podem controlar com precisão as propriedades físicas e mecânicas do material vegetal resultante, como sua rigidez e densidade.
Os pesquisadores também mostram que, usando técnicas de bioimpressão 3D, eles podem cultivar material vegetal em formas, tamanhos e formas que não são encontradas na natureza e que não podem ser facilmente produzidas usando métodos agrícolas tradicionais.
“A ideia é que você possa cultivar esses materiais vegetais exatamente na forma que você precisa, então você não precisa fazer nenhuma fabricação subtrativa após o fato, o que reduz a quantidade de energia e desperdício. Há muito potencial para expandir isso e desenvolver estruturas tridimensionais”, disse a principal autora Ashley Beckwith, recém-formada em doutorado.
A pesquisa ainda está em seus primeiros dias, mas demonstra que é possível ajustar materiais vegetais cultivados em laboratório para ter características específicas, o que poderá um dia permitir que os pesquisadores cultivem produtos de madeira com as características exatas necessárias para uma determinada aplicação. Por exemplo, alta resistência para suportar as paredes de uma casa ou certas propriedades térmicas para aquecer com mais eficiência uma sala, explicou o autor sênior, Luis Fernando Velásquez-García, cientista principal dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas do MIT.
O processo de material vegetal cultivado no laboratório do MIT
Para iniciar o processo de cultivo de material vegetal no laboratório, os pesquisadores primeiro isolam células das folhas de plantas jovens de Zinnia elegans. As células são cultivadas em meio líquido por dois dias, depois transferidas para um meio à base de gel, que contém nutrientes e dois hormônios diferentes.
Ajustar os níveis hormonais nesta fase do processo permite aos pesquisadores ajustar as propriedades físicas e mecânicas das células vegetais que crescem no caldo rico em nutrientes.
“No corpo humano, você tem hormônios que determinam como suas células se desenvolvem e como surgem certas características. Da mesma forma, alterando as concentrações hormonais no caldo nutriente, as células vegetais respondem de forma diferente. Apenas manipulando essas pequenas quantidades químicas, podemos provocar mudanças bastante dramáticas em termos de resultados físicos”, disse Beckwith.
De certa forma, essas células vegetais em crescimento se comportam quase como células-tronco, no sentido de que os pesquisadores podem dar-lhes pistas para dizer-lhes o que se tornar. Os pesquisadores usam uma impressora 3D para extrudar a solução de gel de cultura de células em uma estrutura específica em uma placa de Petri e deixá-la incubar no escuro por três meses. Mesmo com esse período de incubação, o processo dos pesquisadores é cerca de duas ordens de grandeza mais rápido do que o tempo que leva para uma árvore crescer até a maturidade, acrescentou Velásquez-García.
Após a incubação, o material à base de células resultante é desidratado e suas propriedades são avaliadas.
Características
Os pesquisadores descobriram que níveis hormonais mais baixos produziram materiais vegetais com células mais arredondadas e abertas que têm uma densidade mais baixa, enquanto níveis hormonais mais altos levaram ao crescimento de materiais vegetais com estruturas celulares menores e mais densas. Níveis mais altos de hormônio também produziram material vegetal mais rígido; os pesquisadores conseguiram cultivar material vegetal com módulo de armazenamento (rigidez) semelhante ao de algumas madeiras naturais.
Outro objetivo deste projeto é estudar o que é conhecido como ‘lignificação‘ nesses materiais vegetais cultivados em laboratório. A lignina é um polímero que se deposita nas paredes celulares das plantas o que as torna rígidas e lenhosas. Os pesquisadores descobriram que níveis mais altos de hormônio no meio de crescimento causam mais lignificação, o que levaria a material vegetal com mais propriedades semelhantes à madeira.
Os pesquisadores também demonstraram que, usando um processo de bioimpressão 3D, o material vegetal pode ser cultivado em uma forma e tamanho personalizados. Em vez de usar um molde, o processo envolve o uso de um arquivo de design assistido por computador personalizável que é alimentado a uma bioimpressora 3D, que deposita a cultura de gel celular em uma forma específica. Por exemplo, os pesquisadores conseguiram cultivar material vegetal na forma de uma pequena árvore perene.
Segundo Borenstein, pesquisas desse tipo são relativamente novas. “Este trabalho demonstra o poder que uma tecnologia na interface entre engenharia e biologia pode trazer para enfrentar um desafio ambiental, alavancando avanços originalmente desenvolvidos para aplicações de saúde”, acrescentou.
Os pesquisadores também mostram que as culturas de células podem sobreviver e continuar a crescer por meses após a impressão e que o uso de um gel mais espesso para produzir estruturas de material vegetal mais espessas não afeta a taxa de sobrevivência das células cultivadas em laboratório.
Costumização
“Acho que a verdadeira oportunidade aqui é ser ideal com o que você usa e como você o usa. Se você deseja criar um objeto que servirá a algum propósito, há expectativas mecânicas a serem consideradas. Este processo é realmente passível de customização”, disse Velásquez-García.
Agora que os pesquisadores demonstraram a afinação efetiva dessa técnica, eles querem continuar experimentando para entender e controlar melhor o desenvolvimento celular, bem como explorar como outros fatores químicos e genéticos podem direcionar o crescimento das células.
Os pesquisadores pretendem avaliar como seu método pode ser transferido para uma nova espécie, considerando que as plantas de Zinnia não produzem madeira. Se esse método fosse usado para fazer uma espécie de árvore comercialmente importante, como o pinheiro, o processo precisaria ser adaptado a essa espécie, acrescentou Velásquez-García.
Em última análise, Velásquez-García espera que este trabalho com materiais vegetais cultivados em laboratório possa motivar outros grupos a mergulhar nessa área de pesquisa para ajudar a reduzir o desmatamento.
“Árvores e florestas são uma ferramenta incrível para nos ajudar a gerenciar as mudanças climáticas, portanto, ser o mais estratégico possível com esses recursos será uma necessidade da sociedade daqui para frente”, disse Beckwith. Para saber mais acesse o site.
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