16/02/2021 - Há milênios, os humanos cortam árvores e colhem plantas. O material vegetal cultivado em laboratório pode mudar isso. POR TODAS as formas como os humanos brincaram com a natureza, a forma como cultivamos e extraímos materiais da floresta e dos campos permanece fundamentalmente inalterada. Para obter madeira, por exemplo, plantamos uma árvore, deixamos crescer e cortamos. Madeira e outros materiais à base de plantas podem ser recursos renováveis, ...
mas a obtenção de formas utilizáveis normalmente requer muito transporte, moagem e processamento. Agora, um grupo de pesquisadores do MIT espera reduzir drasticamente essas ineficiências. Os pesquisadores cultivaram tecido vegetal semelhante à madeira em laboratório, que, se ampliado, talvez um dia possa levar ao desenvolvimento de madeira, fibra e outros biomateriais cultivados em laboratório destinados a reduzir a pegada ambiental da silvicultura e da agricultura. Seu trabalho é descrito em um artigo recente do Journal of Cleaner Production.
“A esperança é que, se isso se tornar um processo desenvolvido para a produção de materiais vegetais, você possa aliviar algumas das pressões sobre nossas terras agrícolas. E com essas pressões reduzidas, esperamos que possamos permitir que mais espaços permaneçam selvagens e mais florestas permaneçam no lugar”, diz Ashley Beckwith, principal autor do estudo e doutorando em engenharia mecânica no MIT.
A pesquisa anterior de Beckwith examinou o uso de microfluidos impressos em 3D para aplicações biomédicas, como a análise de fragmentos de tumores. Mas depois de passar um tempo trabalhando e aprendendo sobre fazendas orgânicas, ela se interessou pelo uso mais eficiente dos recursos agrícolas e naturais.
O material vegetal cultivado em laboratório não dependeria do clima, pesticidas ou terra arável para cultivo. E produzir apenas as porções úteis das plantas eliminaria cascas, folhas e outros excessos descartados, observam os pesquisadores. “A ideia de nível superior é produzir bens onde for necessário, quando for necessário”, diz Luis Fernando Velásquez-García, coautor do estudo e principal pesquisador do Microsystems Technology Laboratories do MIT. “No momento, temos esse modelo em que produzimos mercadorias em pouquíssimas localidades e depois as espalhamos.”
O cultivo de tecidos vegetais no laboratório começa com células, não sementes. Os pesquisadores extraíram células vivas das folhas da jovem Zinnia elegans, espécie escolhida por crescer rapidamente e ter sido bem estudada em relação à diferenciação celular, processo pelo qual as células mudam de um tipo para outro. Colocadas em uma cultura de caldo nutriente, as células se reproduziram antes de serem transferidas para um gel para posterior desenvolvimento. “As células são suspensas dentro desse suporte de gel e, com o tempo, crescem e se desenvolvem para preencher o volume do suporte e também se transformar nos tipos de células em que estamos interessados”, diz Beckwith. Este andaime contém nutrientes e hormônios para sustentar o crescimento celular, o que significa que o material à base de plantas se desenvolve passivamente - sem necessidade de luz solar ou solo.
No entanto, uma mistura de células vegetais e gel não se transformará em nada muito útil sem alguns ajustes. Assim, os pesquisadores testaram como a manipulação das concentrações hormonais do meio de gel, pH e densidade celular inicial, entre outras variáveis, influenciou o desenvolvimento e poderia afetar as propriedades dos tecidos vegetais resultantes. “As células vegetais têm a capacidade de se tornar células diferentes se você lhes der as pistas para isso”, diz Velásquez-García. “Você pode persuadir as células a fazer uma ou outra coisa, e então elas obtêm as propriedades que você deseja.”
Para obter um material semelhante à madeira, os pesquisadores tiveram que estimular as células vegetais a se diferenciarem em tipos de células vasculares, que transportam água e minerais e compõem o tecido lenhoso. À medida que as células se desenvolviam, formavam uma parede celular secundária espessa e reforçada com lignina – um polímero que confere firmeza – tornando-se mais rígida. Usando microscopia de fluorescência para analisar as culturas, os pesquisadores puderam observar quais células estavam se tornando lignificadas (ou se transformando em madeira) e também avaliar seu alargamento e alongamento.
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Quando chegou a hora de imprimi-los, o aquecimento e a bioimpressão 3D do gel permitiram que o material resultante tomasse quase qualquer forma depois de resfriado e solidificado. O tecido verde escuro que a equipe de pesquisa produziu é bastante firme, mas não seria estruturalmente forte o suficiente para a maioria dos propósitos de construção. Por enquanto, as finas estruturas retangulares impressas têm apenas alguns centímetros de comprimento e estão passando por testes mecânicos e caracterização, diz Beckwith, embora a impressão de versões maiores seja viável. (Ah, e os pesquisadores não resistiram a um pouco de diversão, imprimindo estruturas em forma de osso de cachorro e árvore também.)
O projeto Zinnia elegans foi mais uma prova de conceito para as técnicas de crescimento que eles tentaram; o próximo passo poderia ser traduzi-los para outras espécies de plantas que possam produzir materiais mais robustos com características úteis. Inicialmente, esses materiais podem ser mais caros do que os produtos vegetais tradicionais, diz Beckwith, mas ser capaz de evitar as etapas de colheita, processamento e fabricação pode reduzir os custos no final.
Os pesquisadores imaginam que um dia pode ser possível imprimir itens totalmente formados, como móveis, mas mesmo apenas transformar blocos ou vigas de material semelhante à madeira pode reduzir a energia necessária para cortar e moldar a madeira em formas utilizáveis. O uso de água para preparar o meio de gel pode ser rigidamente controlado, reduzindo o escoamento. O cultivo de tecidos vegetais no laboratório pode levar alguns meses, diz Beckwith, mas isso é muito mais rápido do que, digamos, esperar 20 anos para o cultivo de álamos para atingir um volume lucrativo de madeira.
Além das possibilidades tentadoras de cultivar móveis inteiros, os materiais à base de plantas podem melhorar a produção de combustíveis e produtos químicos, diz Xuejun Pan, professor do Departamento de Engenharia de Sistemas Biológicos da Universidade de Wisconsin, Madison, que não esteve envolvido em o estudo. “Você não precisa necessariamente cultivar um pedaço de madeira forte. Se você pode produzir uma biomassa, por exemplo, como matéria-prima futura para a bioindústria – de forma competitiva e produtiva – isso pode ser atraente”, diz ele.
Esse trabalho inicial com orgânicos imprimíveis pode até fornecer insights sobre a criação de materiais e dispositivos avançados que usam células vivas para obter recursos de resposta à temperatura ou autocura, diz Jeffrey Borenstein, coautor do estudo e líder do grupo no Charles Stark Draper Laboratory, uma empresa de pesquisa e desenvolvimento de engenharia sem fins lucrativos que financiou este projeto e está oferecendo uma bolsa para Beckwith. Nas plantas, as células vivas podem sentir estímulos e responder às mudanças em seu ambiente, uma capacidade potencialmente transformadora se pudesse ser integrada aos materiais. “Um material que pode crescer ou responder ao ambiente ou se curar teria grande poder”, diz Borenstein. “O fato de serem construídos a partir de células vivas torna isso possível de maneiras que antes seriam extremamente complicadas.”
A bioimpressão de células vegetais não foi amplamente explorada, dizem os pesquisadores, e o trabalho de cultivar seletivamente tecidos vegetais ajustáveis em estruturas impressas é provavelmente o primeiro. Mesmo as ambições mais verdes precisam ser avaliadas criticamente, no entanto. Embora qualquer coisa que mantenha as árvores no solo pareça uma vitória, é difícil prever as implicações futuras de uma indústria de madeira cultivada em laboratório. Para comparação, veja a carne cultivada, que visa reduzir os custos ambientais da produção de carne, especialmente a carne bovina. A carne cultivada em laboratório está muito mais avançada do que os materiais vegetais cultivados em laboratório, mas avaliar as reduções de emissões antes de uma indústria crescer pode ficar obscuro. Por exemplo, trocar as emissões de metano do gado pelas emissões de dióxido de carbono da eletricidade necessária para operar as instalações de cultivo de carne é uma troca incerta. Também não está claro quanta água um processo industrial pode usar, em comparação com o que é necessário para a criação de gado.
Aumentar a produção de materiais vegetais padronizados cultivados em laboratório também exigiria uma compreensão mais profunda dos fatores que afetam o desenvolvimento celular, desde níveis hormonais e pH, até forças mecânicas dentro do suporte de gel, até sinalização bioquímica célula a célula – em suma, há muito mais para estudar. E traduzir as técnicas de crescimento da Zinnia elegans para outras espécies pode ser um desafio, diz Velásquez-García, dada a composição variada de outras plantas. “Explorar totalmente a ideia requer, talvez, muito mais pessoas com muito mais experiência”, diz ele. Mas criar soluções mais sustentáveis exige ideias ousadas, ele acredita, e às vezes as produzidas em laboratório superam as feitas na natureza.
Fonte: https://www.wired.com/