A cada ano, o mundo perde cerca de 10 milhões de hectares de floresta – uma área do tamanho da Islândia – por causa do desmatamento. Nesse ritmo, alguns cientistas preveem que as florestas do mundo podem desaparecer em 100 a 200 anos.
Em um esforço para fornecer uma alternativa ecologicamente correta e com baixo desperdício, pesquisadores do MIT foram pioneiros em uma técnica ajustável para gerar material vegetal semelhante à madeira em um laboratório, o que poderia permitir que alguém "cultive" um produto de madeira como uma mesa sem precisar cortar árvores, processar madeira, etc.

Esses pesquisadores já demonstraram que, ao ajustar certos produtos químicos usados ​​durante o processo de crescimento, eles podem controlar com precisão as propriedades físicas e mecânicas do material vegetal resultante, como sua rigidez e densidade.

Eles 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 expanda isso e desenvolva estruturas tridimensionais", diz o autor principal Ashley Beckwith, um recente Ph.D. diplomado.

Embora ainda em seus primeiros dias, esta pesquisa demonstra que os materiais vegetais cultivados em laboratório podem ser ajustados para ter características específicas, o que poderia um dia permitir que os pesquisadores cultivem produtos de madeira com as características exatas necessárias para uma aplicação específica, como alta resistência para suportar as paredes de uma casa ou certas propriedades térmicas para aquecer uma sala de forma mais eficiente, explica o autor sênior Luis Fernando Velásquez-García, cientista principal dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas do MIT.

Juntando-se a Beckwith e Velásquez-García no papel está Jeffrey Borenstein, engenheiro biomédico e líder de grupo do Laboratório Charles Stark Draper. A pesquisa foi publicada hoje em Materials Today .

Células de plantio

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 nesse caldo rico em nutrientes.

"No corpo humano, você tem hormônios que determinam como suas células se desenvolvem e como certas características surgem. Da mesma forma, alterando as concentrações de hormônios no caldo nutriente, as células vegetais respondem de maneira diferente. Apenas manipulando essas pequenas quantidades químicas, podemos provocar mudanças bastante dramáticas em termos de resultados físicos", diz Beckwith.

De certa forma, essas células vegetais em crescimento se comportam quase como células-tronco – os pesquisadores podem dar pistas para dizer-lhes o que se tornar, acrescenta Velásquez-García.

Eles 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 magnitude mais rápido do que o tempo que leva para uma árvore crescer até a maturidade, diz Velásquez-García.

Após a incubação, o material à base de células resultante é desidratado e, em seguida, os pesquisadores avaliam suas propriedades.

Características da madeira

Eles descobriram que níveis mais baixos de hormônios produziram materiais vegetais com células mais arredondadas e abertas que têm menor densidade, enquanto níveis mais altos de hormônios 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 trabalho é estudar o que é conhecido como lignificação nestes 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. Eles 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, eles foram capazes de cultivar material vegetal na forma de uma pequena árvore perene.

Pesquisas desse tipo são relativamente novas, diz Borenstein.

"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", acrescenta.

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.

'Acessível à personalização'

"Acho que a verdadeira oportunidade aqui é ser ótimo 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. Esse processo é realmente passível de personalização ”, diz Velásquez-García.

Agora que eles demonstraram a sintonizabilidade efetiva dessa técnica, os pesquisadores querem continuar experimentando para que possam entender e controlar melhor o desenvolvimento celular. Eles também querem explorar como outros fatores químicos e genéticos podem direcionar o crescimento das células.

Eles esperam avaliar como seu método pode ser transferido para uma nova espécie. As plantas de zínia não produzem madeira, mas se esse método fosse usado para fazer uma espécie de árvore comercialmente importante, como o pinheiro, o processo precisaria ser adaptado a essa espécie, diz Velásquez-García.

Em última análise, ele espera que este trabalho possa ajudar a 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", acrescenta Beckwith. + Explorar mais

O tecido vegetal cultivado em laboratório poderia aliviar o impacto ambiental da extração de madeira e da agricultura?

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.