Die Kunst und Wissenschaft lebensnaher Architektur

„Diese Technologie ist nicht lebendig“, sagt Laia Mogas-Soldevila. „Es ist lebensecht.“

Die Auszeichnung ist für den Assistenzprofessor an der Stuart Weitzman School of Design sowohl aus wissenschaftlichen als auch aus künstlerischen Gründen von großer Bedeutung. Mit einem Doktortitel in Biomedizintechnik, mehreren Abschlüssen in Architektur und einer Hingabe an nachhaltiges Design bringt Mogas-Soldevila die Biologie in den Alltag und schafft Materialien für eine Zukunft, die auf halbem Weg zwischen Natur und Künstlichkeit liegt.

Die von ihr beschriebene Architekturtechnik wirkt auf den ersten Blick unscheinbar: Ein gefriergetrocknetes Pellet, klein genug, um in der Tasche zu verschwinden. Aber dieser winzige Materieklumpen, das Ergebnis einer mehr als einjährigen Zusammenarbeit zwischen Designern, Ingenieuren und Biologen, ist ein Biomaterial, das ein „lebendiges“ System enthält.

Bei Berührung mit Wasser aktiviert das Pellet ein leuchtendes Protein und bringt es zum Ausdruck. Seine Fluoreszenz zeigt, dass Leben und Kunst zu einem dritten und völlig unterschiedlichen Ding harmonieren können, das ebenso bereit ist, zu gefallen wie zu schützen. In Gitter aus flexiblen, luft- und feuchtigkeitsfördernden Naturmaterialien eingewebt, bilden die Pellets markante Einrichtungselemente, die uns eines Tages gesund erhalten könnten.

„Wir stellen sie uns als Sensoren vor“, erklärt Mogas-Soldevila. „Sie können Krankheitserreger wie Bakterien oder Viren erkennen oder Menschen auf Giftstoffe in ihrem Zuhause aufmerksam machen. Die Pellets sind so konzipiert, dass sie mit der Luft interagieren. Mit der Entwicklung könnten sie diese überwachen oder sogar reinigen.“

Im Moment leuchten sie, ein triumphaler erster Stopp auf der Roadmap des Teams für die Zukunft. Die Fluoreszenz beweist, dass der Biomaterial-Herstellungsprozess des Labors mit der hochmodernen zellfreien Technik kompatibel ist, die den Pellets ihre lebensechten Eigenschaften verleiht.

Zellfreie Proteinexpressionssysteme sind eine schnell wachsende Technologie und ermöglichen es Forschern, Proteine ​​ohne den Einsatz lebender Zellen herzustellen.

Gabrielle Ho, Ph.D. Kandidat in der Abteilung Bioingenieurwesen und Co-Leiter des Projekts, erklärt, wie die Designarbeit des Teams zellfrei wurde, eine Technik, die außerhalb von Laborstudien oder medizinischen Anwendungen selten erforscht wird.

„Normalerweise verwenden wir lebende E. coli-Zellen, um ein Protein herzustellen“, sagt Ho. „E. coli ist ein biologisches Arbeitstier, zugänglich und sehr produktiv. Wir würden DNA in die Zelle einführen, um die Expression spezifischer Proteine ​​zu fördern. Aber diese traditionelle Methode war für dieses Projekt keine Option. Man kann E. coli nicht manipuliert haben.“ an deinen Wänden hängen.

Zellfreie Systeme enthalten alle Komponenten, die eine lebende Zelle zur Herstellung von Proteinen benötigt – Energie, Enzyme und Aminosäuren – und sonst nicht viel. Diese Systeme sind daher nicht lebendig. Sie vermehren sich nicht und können auch keine Infektion verursachen. Sie sind „lebensähnlich“ und so konzipiert, dass sie DNA aufnehmen und Protein auf eine Weise ausstoßen, die bisher nur mit lebenden Zellen möglich war.

„Eines der schönsten Dinge daran, dass diese Materialien nicht lebendig sind“, sagt Mogas-Soldevila, „ist, dass wir uns keine Sorgen machen müssen, dass sie so bleiben.“

Im Gegensatz zu lebenden Zellen benötigen zellfreie Materialien keine feuchte Umgebung oder ständige Überwachung in einem Labor. Die Forschung des Teams hat ein Verfahren zur Herstellung dieser Trockenpellets etabliert, das die Bioaktivität während der gesamten Herstellung, Lagerung und Verwendung bewahrt.

Diese bioaktive, ausdrucksstarke und programmierbare Technologie ist darauf ausgelegt, die einzigartigen Eigenschaften organischer Materialien zu nutzen.

Mogas-Soldevila, dessen Labor sich ausschließlich auf biologisch abbaubare Architektur konzentriert, versteht den Wert von Biomaterialien als sowohl umweltverträglich als auch ästhetisch wertvoll.

„Architekten kommen zu der Erkenntnis, dass herkömmliche Materialien – Beton, Stahl, Glas, Keramik usw. – umweltschädlich sind, und sie sind immer mehr an Alternativen interessiert, um zumindest einige davon zu ersetzen. Weil wir sogar so viel verbrauchen.“ Die Möglichkeit, einen kleinen Prozentsatz zu ersetzen, würde zu einer erheblichen Reduzierung von Abfall und Umweltverschmutzung führen.“

Die charakteristischen Materialien ihres Labors – Biopolymere aus Garnelenschalen, Zellstoff, Sand und Erde, Seidenkokons und Algengummi – verleihen ihr Qualitäten, die über ihre nachhaltigen Vorteile hinausgehen.

„Meine Obsession ist die Diagnose, aber meine Leidenschaft ist das Verspieltsein“, sagt Mogas-Soldevila. „Biomaterialien sind die einzigen Materialien, die diese in der Natur beobachtete Doppelfunktion einschließen können.“

Die zellfreie Herstellung und Designforschung erforderte einzigartige Dialoge zwischen Wissenschaft und Kunst, Kategorien, die Ho vor Beginn dieses Projekts für völlig getrennt hielt.

„Ich habe so viel aus dem Ansatz gelernt, den die Designer ins Labor gebracht haben“, sagt Ho. „Normalerweise haben wir in der Wissenschaft ein bestimmtes Problem oder eine Hypothese, an der wir systematisch arbeiten.“

Doch bei dieser Zusammenarbeit war alles anders. Offenes Ende. Das Team suchte nach einer lebensähnlichen Plattform, die wahrnimmt und Menschen über interaktive Materie informiert. Sie mussten Schritt für Schritt erkunden, wie sie dorthin gelangen.

„Design ist nur durch die Vorstellungskraft begrenzt. Wir suchten nach einer Technologie, die dabei helfen könnte, eine Vision zu verwirklichen, und die erwies sich als zellfrei“, sagt Ho.

„Für mich“, sagt Mogas-Soldevila, „war es inspirierend, die Strenge und Aufmerksamkeit für die Einschränkungen zu erleben, die die Biotechnik mit sich bringt.“

Es gab viele Einschränkungen – maschinelle Einschränkungen, biologische Einschränkungen, finanzielle Einschränkungen und Platzbeschränkungen.

„Aber als wir diese Einschränkungen im Spiel hielten“, fährt sie fort, „stellten wir unsere dringendsten kreativen Fragen. Können Materialien uns vor unsichtbaren Bedrohungen warnen? Wie werden Menschen auf diese bioaktiven Standorte reagieren? Werden sie schön sein? Werden sie seltsam sein?“ Und vor allem: Werden sie eine neue ästhetische Beziehung zum Potenzial biobasierter und bioaktiver Materie ermöglichen?“

Später könnten sich die zellfreien Pellets und Biopolymergitter schützend über unser Innenleben legen und für unsere geistige und körperliche Gesundheit sorgen. Im Moment ist die Forschung im Gange, die Poesie des Designs wird durch Zwänge belebt, die Zwänge der Technik werden durch Poesie belebt.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Grenzen in Bioingenieurwesen und Biotechnologie.