Μια νέα προσέγγιση στην ανάπτυξη βιώσιμων υλικών προτείνει η ερευνητική ομάδα της Ελένης Σταυρινίδου, αναπληρώτριας καθηγήτριας στο Εργαστήριο Οργανικών Ηλεκτρονικών του Πανεπιστημίου Linköping (LiU) στη Σουηδία.
Το ερευνητικό της έργο που χρηματοδοτείται τώρα με 26 εκατομμύρια σουηδικές κορώνες από το Ίδρυμα Knut and Alice Wallenberg έχει ως στόχο την αξιοποίηση φυτικών κυττάρων για την παραγωγή υλικών με ελεγχόμενες ιδιότητες, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικών εφαρμογών.
Αντί να χρησιμοποιούνται ολόκληρα φυτά που πρέπει να καλλιεργηθούν, να συγκομιστούν και να υποστούν επεξεργασία, οι επιστήμονες αξιοποιούν τα ίδια τα φυτικά κύτταρα ως δομικά στοιχεία για τη δημιουργία νέων υλικών.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ
Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές επιδιώκουν να αναπτύξουν υλικά που θα συνδυάζουν αντοχή και ευκαμψία, περιορίζοντας παράλληλα την κατανάλωση φυσικών πόρων και την περιβαλλοντική επιβάρυνση.
Σήμερα, πολλά από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή προέρχονται από το φυτικό βασίλειο. Ωστόσο, η παραγωγή τους εξαρτάται από την καλλιέργεια φυτών, η οποία απαιτεί χρόνο, γη, νερό και ενέργεια.
Επιπλέον, η επεξεργασία της φυτικής βιομάζας δεν επιτρέπει πάντοτε τον ακριβή έλεγχο των τελικών χαρακτηριστικών του υλικού.
«Το νέο ερευνητικό έργο προτείνει μια διαφορετική προσέγγιση: τη χρήση φυτικών κυττάρων ως πρώτης ύλης, με δυνατότητα παρέμβασης στις ιδιότητές τους σε γενετικό επίπεδο», σημειώνει η Δρ. Σταυρινίδου.
Οι επιστήμονες θέλουν να διερευνήσουν πώς μπορούν να ελέγξουν τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα προσκολλώνται μεταξύ τους, οργανώνονται και σχηματίζουν δομές, καθώς και πώς καθορίζουν τη σύνθεση συγκεκριμένων συστατικών των κυτταρικών τοιχωμάτων.
Στόχος είναι η δημιουργία υλικών με ιδιότητες προσαρμοσμένες στην εκάστοτε εφαρμογή. Αντί, δηλαδή, να προσαρμόζεται ο σχεδιασμός ενός προϊόντος στις δυνατότητες μιας διαθέσιμης φυσικής πρώτης ύλης, οι ερευνητές επιδιώκουν να ελέγχουν εξαρχής τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται και οργανώνεται το βιολογικό υλικό.
Φυτικά κύτταρα που αξιοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα
Ένα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των φυτικών κυττάρων είναι η ικανότητά τους να φωτοσυνθέτουν, αξιοποιώντας το διοξείδιο του άνθρακα για την ανάπτυξή τους.
Η ιδιότητα αυτή αποτελεί σημαντικό σημείο εκκίνησης για την έρευνα νέων υλικών με μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
«Χρειαζόμαστε πιο βιώσιμα υλικά. Μία από τις μοναδικές ιδιότητες των φυτικών κυττάρων είναι ότι φωτοσυνθέτουν, αναπτύσσονται καταναλώνοντας διοξείδιο του άνθρακα», σημειώνει η Ελένη Σταυρινίδου.
Όπως εξηγεί, ένα από τα ερωτήματα που θα εξεταστούν στο πλαίσιο του έργου είναι σε ποιον βαθμό τα υλικά θα μπορούν να αναπτύσσονται προσλαμβάνοντας διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα.
Η δυνατότητα αυτή θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη νέων μεθόδων παραγωγής υλικών, στις οποίες βιολογικές διεργασίες θα συνδέονται άμεσα με τη δημιουργία χρήσιμων δομών. Ωστόσο, ο βαθμός στον οποίο τα υπό ανάπτυξη υλικά θα μπορούν πράγματι να δεσμεύουν διοξείδιο του άνθρακα, καθώς και το συνολικό περιβαλλοντικό τους όφελος, αποτελούν αντικείμενα που πρέπει να διερευνηθούν πειραματικά.
Η ερευνητική ομάδα της Σταυρινίδου αναπτύσσει τεχνολογίες βιοηλεκτρονικής, οι οποίες επιτρέπουν την παρακολούθηση και τον έλεγχο της υγείας και των λειτουργιών των φυτών. Τα τελευταία χρόνια, η δραστηριότητά της έχει επεκταθεί στην ανάπτυξη μηχανικά σχεδιασμένων ζωντανών υλικών με βάση φυτικά κύτταρα.
Στο νέο έργο, οι ερευνητές σχεδιάζουν να αξιοποιήσουν τις γενετικές πληροφορίες που υπάρχουν ήδη στα κύτταρα, εισάγοντας παράλληλα νέες συνθετικές γενετικές διατάξεις και χημικές συνδέσεις. Οι παρεμβάσεις αυτές θα μπορούσαν να επιτρέψουν τον ακριβέστερο έλεγχο της συμπεριφοράς των κυττάρων και τη δημιουργία υλικών με συγκεκριμένα μηχανικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά.
«Θέλουμε να καθιερώσουμε έναν νέο τρόπο ανάπτυξης υλικών βιολογικής προέλευσης, αξιοποιώντας τις πληροφορίες που είναι ήδη κωδικοποιημένες στα γονίδια των φυτικών κυττάρων», αναφέρει η ερευνήτρια, περιγράφοντας τη φιλοδοξία του έργου.
Η προσέγγιση αυτή εντάσσεται σε ένα ευρύτερο επιστημονικό πεδίο, όπου η βιολογία, η επιστήμη των υλικών και η συνθετική βιολογία συνδυάζονται για την ανάπτυξη δομών που δεν κατασκευάζονται αποκλειστικά με παραδοσιακές βιομηχανικές μεθόδους, αλλά που μπορούν να αξιοποιούν και να ελέγχουν βιολογικές λειτουργίες.
Διεπιστημονική συνεργασία με τρία πανεπιστήμια
Το έργο συγκεντρώνει ερευνητική τεχνογνωσία από τρία σουηδικά πανεπιστήμια, το Πανεπιστήμιο Linköping, το Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (KTH) και το Πανεπιστήμιο Umeå.
Η συνεργασία αυτή επιτρέπει την προσέγγιση του προβλήματος από διαφορετικές επιστημονικές κατευθύνσεις, από τον γενετικό σχεδιασμό των κυττάρων και τη βιολογική τους λειτουργία έως τη χημική σύνθεση και τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών που προκύπτουν.
Όπως επισημαίνει η Δρ Σταυρινίδου, το εγχείρημα δεν μπορεί να υλοποιηθεί από έναν μόνο ερευνητή, καθώς απαιτεί τη συνδυασμένη συμβολή επιστημονικών πεδίων που συνήθως δεν συνεργάζονται στενά.
Οι εφαρμογές των νέων υλικών ενδέχεται να καλύψουν διαφορετικούς τομείς. Στις κατασκευές, θα μπορούσαν να διερευνηθούν εναλλακτικές βιολογικής προέλευσης για επιλεγμένα δομικά ή λειτουργικά υλικά. Στην κλωστοϋφαντουργία, η δυνατότητα ελέγχου της οργάνωσης των κυττάρων και των χαρακτηριστικών τους θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για την ανάπτυξη ινών και εύκαμπτων υλικών. Στην ιατρική, θα μπορούσαν να εξεταστούν χρήσεις που απαιτούν ειδικά σχεδιασμένες δομές και ελεγχόμενες ιδιότητες.
Οι παραπάνω εφαρμογές αποτελούν ερευνητικές προοπτικές και όχι ήδη καθιερωμένες τεχνολογίες.
Η πρακτική αξιοποίησή τους θα εξαρτηθεί από την επιτυχία του κυτταρικού σχεδιασμού, την ανθεκτικότητα των παραγόμενων υλικών, τη δυνατότητα παραγωγής τους σε μεγαλύτερη κλίμακα και την αξιολόγηση της ασφάλειας και των περιβαλλοντικών επιπτώσεών τους.
Η χρηματοδότηση του έργου εντάσσεται σε ευρύτερη πρωτοβουλία του Ιδρύματος Knut and Alice Wallenberg, το οποίο ενέκρινε επιχορηγήσεις για συνολικά 30 ερευνητικά προγράμματα, συνολικού ύψους 900 εκατομμυρίων σουηδικών κορωνών. Το έργο της Ελληνίδα επιστήμονας ήταν ένα από αυτά.
Τα έργα επικεντρώνονται κυρίως στη βασική έρευνα στους τομείς της ιατρικής, των φυσικών επιστημών και της τεχνολογίας, με έμφαση σε ερευνητικές κατευθύνσεις που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντικές επιστημονικές εξελίξεις.
