Forskare från TU Delft har hittat hur instängda mikroalgceller växer optimalt i fotosyntetiskt framställda levande material. Med användning av ljusenergi omvandlar mikroalgerna CO2 från luften till sockerarter, energi och syre för deras överlevnad. Sådana algbaserade levande material kan användas i en rad olika tillämpningar, från funktionella objekt för CO2 infångning, till syrekällor för biologiska vävnader.
Teamet, som leds av Marie-Eve Aubin-Tam och Kunal Masania, har presenterat sina nya insikter i Avancerat material .
"Engineered living materials (ELM) är en spännande ny klass av material som har potential att revolutionera samhället", förklarar biofysikern Aubin-Tam. "Ett exempel är fotosyntetiska levande material, i vilka organismer växer som aktivt fotosyntetiserar."
I naturen fotosyntetiseras många bakterier, alger och växter; de tar upp CO2 , vatten och ljus och producera sockerarter för att överleva. "Vi studerade ELM med fotosyntetiserande alger, som i slutändan kan användas för att leverera syre till biologisk eller konstruerad vävnad, där syretillförsel ofta är en begränsande faktor för tillväxt." Den konstgjorda konstruktionen av biologiska vävnader är särskilt viktig med tanke på det växande behovet av organtransplantationer.
"En huvudsaklig begränsning som hindrar dessa material från att användas i större skala är att vi för närvarande inte vet hur vi ska kontrollera tillväxten av cellerna i dessa material. Det är vad vi har undersökt. Vi studerade hur tillväxten av celler är påverkas av materialets form, ljusexponering och tillgång till näringsämnen och till CO2 ," säger Aubin-Tam.
"Vi kunde också visa att cellerna huvudsakligen växte längs materialets kanter där de har bättre tillgång till luft och ljus", tillägger Jeong-Joo Oh, första författare till tidningen. Forskarna fann att en tunn struktur med stor yta ökar effektiviteten hos ELM. I dessa finns en relativt stor del av cellerna längs kanterna och därför i närheten av luft.
Intressant nog kom naturen till samma slutsats, eftersom celltillväxten i ELM matchar hur bladet på en växt är uppbyggt. Bladen uppvisar en tunn struktur med en stor yta så att en stor del av cellerna kan utsättas för solljus.
"I våra resultat illustrerar vi den tillgängligheten till ljus och CO2 är nyckeln. Införandet av en liten öppning för gasutbyte i strukturerna förbättrade synligt celltillväxten i de inre lagren. Detta sker på bekostnad av accelererad uttorkning, vilket i slutändan inte är bra för cellerna, säger materialforskaren Masania.
Även detta beteende är analogt med naturen. Bladen har mycket små hål, kallade stomata. "Som portar öppnar löven sina stomata för att förbättra gasutbytet samtidigt som de inte låter för mycket vatten rinna ut. Mekanismer som svarar på en brist på CO2 , liksom stomata på ett löv, skulle vara mycket fördelaktigt för fotosyntetiska ELM och öka deras livslängd och effektivitet i framtiden", säger Masania.
I denna forskning studerade teamet olika former av material och deras inverkan på cellernas tillväxt. "För att tillåta detta behövde vi designa en ny sammansättning av bläcket, materialet som kommer ut ur skrivaren. Vi letade efter ett nytt bläck som skulle göra det möjligt för oss att skriva ut större och mer komplexa objekt", förklarar Aubin-Tam.
Medan hennes grupp vid yrkeshögskolan studerade cellernas tillväxt, satte Masania, från fakulteten för flygteknik, ut för att bidra till utvecklingen av ett nytt 3D-utskrivbart bläck. Tillsammans med Elvin Karana från fakulteten för industriell designteknik utforskade de möjligheterna att producera 3D-strukturer av levande fotosyntetiska material för framtida tillämpningar.
"Studien av celltillväxt inom ELM är avgörande för deras effektiva användning och optimerade funktionalitet," avslutar Aubin-Tam. "Vi hoppas att vårt arbete kommer att motivera biologer, materialvetare, datavetare och ingenjörer att ytterligare undersöka celltillväxt och egenskaperna hos denna nya klass av material."
Mer information: Jeong-Joo Oh et al, Growth, Distribution, and Photosynthesis of Chlamydomonas Reinhardtii in 3D Hydrogels, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202305505
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Delft University of Technology
