Hoe levende materialen van algen het best koolstof kunnen opnemen
Wetenschappers van de TU Delft hebben ontdekt hoe microalgencellen optimaal kunnen groeien in een fotosynthetisch gemanipuleerd levend materiaal. Deze microalgen nemen CO2 op uit de lucht en zetten licht om in energie en zuurstof dat ze nodig hebben om te overleven. Deze op algen gebaseerde levende materialen kennen verschillende toepassingen, van functionele objecten voor CO2-opvang tot zuurstofbronnen voor biologische weefsels. Het team, onder leiding van Marie-Eve Aubin-Tam en Kunal Masania, presenteert hun nieuwe inzichten in Advanced Materials.
“Ontwikkelde levende materialen, in het Engels engineered living materials (ELMs), zijn een interessante nieuwe groep materialen die een revolutie in de maatschappij teweeg kunnen brengen", legt biofysicus Aubin-Tam uit. "Een voorbeeld is het fotosynthetische levende materiaal, waarin organismen groeien die actief fotosynthetiseren." In de natuur fotosynthetiseren veel bacteriën, algen en planten; ze nemen koolstofdioxide, water en licht op en produceren suikers om te overleven. "We bestudeerden ELM's met fotosynthetiserende algen, die uiteindelijk gebruikt zouden kunnen worden om zuurstof te leveren aan biologische weefsels." De kunstmatig ontwikkeling van weefsels is vooral van belang gezien het groeiende tekort aan orgaantransplantaties.
Beheersen van groei
"Een belangrijke beperking die het gebruik van deze materialen op grotere schaal in de weg staat, is dat we op dit moment niet weten hoe we de groei van de cellen in deze materialen kunnen beheersen. Dit is wat we hebben onderzocht. We bekeken hoe de groei van cellen wordt beïnvloed door de vorm van het materiaal, de blootstelling aan licht en de toegang tot voedingsstoffen en CO2", aldus Aubin-Tam.
"We konden aantonen dat de cellen voornamelijk langs de randen van het materiaal groeiden, waar ze meer toegang hebben tot lucht en licht", voegt eerste auteur Jeong-Joo Oh toe. De onderzoekers ontdekten dat een dunne structuur de efficiëntie van de ELM's verhoogt. Op deze manier bevindt een relatief groot deel van de cellen zich langs de randen en heeft dus toegang tot lucht.
De natuur heeft het antwoord
De natuur is tot eenzelfde conclusie gekomen, aangezien de celgroei in de ELM precies overeenkomt met hoe het blad van een plant is opgebouwd. Dunne bladeren met een groot aantal cellen langs het oppervlak stellen een groot deel van de cellen bloot aan lucht en zonlicht.
"Onze resultaten laten zien dat toegang tot licht en CO2 de sleutel is. Het introduceren van een kleine opening voor gasuitwisseling in de structuren verbeterde zichtbaar de celgroei in de binnenste lagen. Dit versnelt echter uitdroging, wat uiteindelijk niet goed is voor de cellen", legt materiaalwetenschapper Masania uit. Ook dit aspect is terug te vinden in de natuur. Bladeren hebben hele kleine gaatjes, die huidmondjes worden genoemd. "De planten openen hun huidmondjes als poorten om de gasuitwisseling te verbeteren en tegelijkertijd niet te veel water te laten ontsnappen. Mechanismen die reageren op een tekort aan CO2, zoals de huidmondjes van een blad, zouden zeer gunstig zijn voor de fotosynthetische ELM's en hun levensduur en efficiëntie in de toekomst verhogen", vertelt Masania.
Interdisciplinaire samenwerking
In dit onderzoek bestudeerde het team verschillende vormen van materialen en hun invloed op de groei van de cellen. “Om dit mogelijk te maken hebben we een nieuwe soort inkt ontworpen. Dat is het materiaal dat uit de printer komt. We waren opzoek naar een inkt die ons in staat stelde grotere en complexere vormen te printen”, legt Aubin-Tam uit. Terwijl haar groep aan de faculteit Technische Natuurwetenschappen de groei van de cellen bestudeerde, ging Kunal Masania van de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek aan de slag met de ontwikkeling van een nieuwe 3D-printbare inkt. Samen met Elvin Karana van de faculteit Industrieel Ontwerp onderzochten ze de mogelijkheden voor het produceren van 3D-structuren van levende fotosynthetische materialen voor toekomstige toepassingen.
"Het bestuderen van celgroei in ELM's is cruciaal om ze efficiënt te gebruiken", concludeert Aubin-Tam. "We hopen dat ons werk biologen, materiaalwetenschappers, computerwetenschappers en ingenieurs zal motiveren om celgroei en de eigenschappen van deze nieuwe groep materialen verder te onderzoeken."
Kunal Masania
