Vers du bois personnalisable, cultivé en labo

Chaque année, le monde perd environ 10 millions d’hectares de forêt – une superficie de la taille de l’Islande – à cause de la déforestation. À ce rythme, certains scientifiques prédisent que les forêts du monde pourraient disparaître dans 100 à 200 ans.

Dans un effort pour fournir une alternative respectueuse de l’environnement et à faible taux de déchets, des chercheurs du MIT ont mis au point une technique accordable pour générer du matériel végétal semblable au bois dans un laboratoire, ce qui pourrait permettre à quelqu’un de « faire pousser » un produit en bois comme une table sans avoir besoin de abattre des arbres, transformer du bois, etc.

Ces chercheurs ont maintenant démontré qu’en ajustant certains produits chimiques utilisés pendant le processus de croissance, ils peuvent contrôler avec précision les propriétés physiques et mécaniques du matériel végétal résultant, telles que sa rigidité et sa densité.

Ils montrent également qu’en utilisant des techniques de bio-impression 3D, ils peuvent faire pousser du matériel végétal dans des formes, des tailles et des formes qui ne se trouvent pas dans la nature et qui ne peuvent pas être facilement produites à l’aide de méthodes agricoles traditionnelles.

« L’idée est que vous pouvez cultiver ces matières végétales exactement sous la forme dont vous avez besoin, vous n’avez donc pas besoin de faire de fabrication soustractive après coup, ce qui réduit la quantité d’énergie et de déchets. Il y a beaucoup de potentiel pour développez cela et développez des structures tridimensionnelles », explique l’auteur principal Ashley Beckwith, récemment titulaire d’un doctorat. diplômé.

Bien qu’encore à ses débuts, cette recherche démontre que les matériaux végétaux cultivés en laboratoire peuvent être réglés pour avoir des caractéristiques spécifiques, ce qui pourrait un jour permettre aux chercheurs de cultiver des produits en bois avec les caractéristiques exactes nécessaires pour une application particulière, comme une résistance élevée pour soutenir les murs. d’une maison ou de certaines propriétés thermiques pour chauffer plus efficacement une pièce, explique l’auteur principal Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal des laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT.

Jeffrey Borenstein, ingénieur biomédical et chef de groupe au laboratoire Charles Stark Draper, rejoint Beckwith et Velásquez-García sur le papier. La recherche est publiée aujourd’hui dans Matériaux aujourd’hui.

Cellules de plantation

Pour commencer le processus de culture du matériel végétal en laboratoire, les chercheurs isolent d’abord les cellules des feuilles de jeunes plants de Zinnia elegans. Les cellules sont cultivées en milieu liquide pendant deux jours, puis transférées dans un milieu à base de gel, qui contient des nutriments et deux hormones différentes.

Ajuster les niveaux d’hormones à ce stade du processus permet aux chercheurs d’ajuster les propriétés physiques et mécaniques des cellules végétales qui poussent dans ce bouillon riche en nutriments.

« Dans le corps humain, vous avez des hormones qui déterminent le développement de vos cellules et l’émergence de certains traits. De la même manière, en modifiant les concentrations d’hormones dans le bouillon nutritif, les cellules végétales réagissent différemment. Juste en manipulant ces minuscules quantités chimiques, nous pouvons provoquer des changements assez spectaculaires en termes de résultats physiques », déclare Beckwith.

D’une certaine manière, ces cellules végétales en croissance se comportent presque comme des cellules souches – les chercheurs peuvent leur donner des indices pour leur dire ce qu’il faut devenir, ajoute Velásquez-García.

Ils utilisent une imprimante 3D pour extruder la solution de gel de culture cellulaire dans une structure spécifique dans une boîte de Pétri, et la laisser incuber dans l’obscurité pendant trois mois. Même avec cette période d’incubation, le processus des chercheurs est d’environ deux ordres de grandeur plus rapide que le temps nécessaire à un arbre pour atteindre la maturité, explique Velásquez-García.

Après incubation, le matériau à base de cellules résultant est déshydraté, puis les chercheurs évaluent ses propriétés.

Caractéristiques similaires au bois

Ils ont découvert que des niveaux d’hormones plus faibles produisaient des matières végétales avec des cellules ouvertes plus arrondies et de densité plus faible, tandis que des niveaux d’hormones plus élevés entraînaient la croissance de matières végétales avec des structures cellulaires plus petites et plus denses. Des niveaux d’hormones plus élevés ont également produit du matériel végétal plus rigide; les chercheurs ont pu faire pousser du matériel végétal avec un module de stockage (rigidité) similaire à celui de certains bois naturels.

Un autre objectif de ce travail est d’étudier ce qu’on appelle la lignification dans ces matières végétales cultivées en laboratoire. La lignine est un polymère qui se dépose dans les parois cellulaires des plantes ce qui les rend rigides et ligneuses. Ils ont découvert que des niveaux d’hormones plus élevés dans le milieu de croissance provoquent plus de lignification, ce qui conduirait à un matériel végétal avec des propriétés plus proches du bois.

Les chercheurs ont également démontré qu’en utilisant un processus de bio-impression 3D, le matériel végétal peut être cultivé dans une forme et une taille personnalisées. Plutôt que d’utiliser un moule, le processus implique l’utilisation d’un fichier de conception assistée par ordinateur personnalisable qui est envoyé à une bio-imprimante 3D, qui dépose la culture de gel cellulaire dans une forme spécifique. Par exemple, ils ont pu faire pousser du matériel végétal sous la forme d’un minuscule arbre à feuilles persistantes.

La recherche de ce genre est relativement nouvelle, dit Borenstein.

« Ce travail démontre la puissance qu’une technologie à l’interface entre l’ingénierie et la biologie peut apporter pour relever un défi environnemental, en tirant parti des avancées développées à l’origine pour les applications de soins de santé », ajoute-t-il.

Les chercheurs montrent également que les cultures cellulaires peuvent survivre et continuer à se développer pendant des mois après l’impression, et que l’utilisation d’un gel plus épais pour produire des structures de matériel végétal plus épaisses n’a pas d’impact sur le taux de survie des cellules cultivées en laboratoire.

« Possibilité de personnalisation »

« Je pense que la véritable opportunité ici est d’être optimal avec ce que vous utilisez et comment vous l’utilisez. Si vous voulez créer un objet qui servira à quelque chose, il y a des attentes mécaniques à prendre en compte. Ce processus se prête vraiment à la personnalisation. « , dit Velásquez-García.

Maintenant qu’ils ont démontré l’efficacité de l’accordabilité de cette technique, les chercheurs souhaitent poursuivre les expérimentations afin de mieux comprendre et contrôler le développement cellulaire. Ils veulent également explorer comment d’autres facteurs chimiques et génétiques peuvent diriger la croissance des cellules.

Ils espèrent évaluer comment leur méthode pourrait être transférée à une nouvelle espèce. Les plantes de zinnia ne produisent pas de bois, mais si cette méthode était utilisée pour fabriquer une espèce d’arbre commercialement importante, comme le pin, le processus devrait être adapté à cette espèce, explique Velásquez-García.

En fin de compte, il espère que ce travail pourra aider à motiver d’autres groupes à plonger dans ce domaine de recherche pour aider à réduire la déforestation.

« Les arbres et les forêts sont un outil formidable pour nous aider à gérer le changement climatique, donc être aussi stratégique que possible avec ces ressources sera une nécessité sociétale à l’avenir », ajoute Beckwith.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.