Hacia una madera personalizable, cultivada en un laboratorio

Cada año, el mundo pierde unos 10 millones de hectáreas de bosque -un área del tamaño de Islandia- debido a la deforestación. A ese ritmo, algunos científicos predicen que los bosques del mundo podrían desaparecer en 100 o 200 años.

En un esfuerzo por ofrecer una alternativa respetuosa con el medio ambiente y que genere pocos residuos, los investigadores del MIT han sido pioneros en la aplicación de una técnica que permite generar material vegetal similar a la madera en un laboratorio, lo que podría permitir a alguien «cultivar» un producto de madera como una mesa sin necesidad de talar árboles, procesar la madera, etc.

Estos investigadores han demostrado ahora que, ajustando ciertas sustancias químicas utilizadas durante el proceso de crecimiento, pueden controlar con precisión las propiedades físicas y mecánicas del material vegetal resultante, como su rigidez y densidad.

También demuestran que, mediante técnicas de bioimpresión en 3D, pueden cultivar material vegetal con formas y tamaños que no se encuentran en la naturaleza y que no pueden producirse fácilmente con los métodos agrícolas tradicionales.

«La idea es que se pueden cultivar estos materiales vegetales con la forma exacta que se necesita, por lo que no es necesario realizar ninguna fabricación por sustracción a posteriori, lo que reduce la cantidad de energía y residuos. Hay un gran potencial para ampliar esto y cultivar estructuras tridimensionales», dice la autora principal, Ashley Beckwith, recién graduada del doctorado.

Aunque todavía está en sus inicios, esta investigación demuestra que los materiales vegetales cultivados en laboratorio pueden ajustarse para que tengan características específicas, lo que algún día podría permitir a los investigadores cultivar productos de madera con las características exactas necesarias para una aplicación concreta, como una gran resistencia para soportar las paredes de una casa o determinadas propiedades térmicas para calentar una habitación de forma más eficiente, explica el autor principal, Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT.

Junto a Beckwith y Velásquez-García, en el artículo participa Jeffrey Borenstein, ingeniero biomédico y jefe de grupo del Laboratorio Charles Stark Draper. La investigación se publica hoy en Materials Today.

Plantar células

Para iniciar el proceso de cultivo de material vegetal en el laboratorio, los investigadores aíslan primero las células de las hojas de plantas jóvenes de Zinnia elegans. Las células se cultivan en un medio líquido durante dos días y luego se transfieren a un medio con base de gel, que contiene nutrientes y dos hormonas diferentes.

El ajuste de los niveles hormonales en esta fase del proceso permite a los investigadores ajustar las propiedades físicas y mecánicas de las células vegetales que crecen en ese caldo rico en nutrientes.

«En el cuerpo humano, hay hormonas que determinan cómo se desarrollan las células y cómo surgen ciertos rasgos. Del mismo modo, al cambiar las concentraciones de hormonas en el caldo nutritivo, las células vegetales responden de forma diferente. Sólo con la manipulación de estas pequeñas cantidades químicas, podemos provocar cambios bastante dramáticos en términos de resultados físicos», dice Beckwith.

En cierto modo, estas células vegetales en crecimiento se comportan casi como células madre: los investigadores pueden darles señales para decirles en qué deben convertirse, añade Velásquez-García.

Utilizan una impresora 3D para extruir la solución de gel de cultivo celular en una estructura específica en una placa de Petri, y la dejan incubar en la oscuridad durante tres meses. Incluso con este periodo de incubación, el proceso de los investigadores es unos dos órdenes de magnitud más rápido que el tiempo que tarda un árbol en crecer hasta la madurez, afirma Velásquez-García.

Tras la incubación, el material celular resultante se deshidrata y los investigadores evalúan sus propiedades.

Características similares a la madera

Descubrieron que los niveles hormonales más bajos daban lugar a materiales vegetales con células más redondeadas y abiertas que tenían una menor densidad, mientras que los niveles hormonales más altos daban lugar al crecimiento de materiales vegetales con estructuras celulares más pequeñas y densas. Los niveles hormonales más altos también produjeron material vegetal más rígido; los investigadores fueron capaces de cultivar material vegetal con un módulo de almacenamiento (rigidez) similar al de algunas maderas naturales.

Otro objetivo de este trabajo es estudiar lo que se conoce como lignificación en estos materiales vegetales cultivados en laboratorio. La lignina es un polímero que se deposita en las paredes celulares de las plantas y que las hace rígidas y leñosas. Comprobaron que unos niveles más altos de hormonas en el medio de crecimiento provocan una mayor lignificación, lo que daría lugar a un material vegetal con propiedades más parecidas a la madera.

Los investigadores también demostraron que, mediante un proceso de bioimpresión en 3D, el material vegetal puede cultivarse con una forma y un tamaño personalizados. En lugar de utilizar un molde, el proceso implica el uso de un archivo de diseño asistido por ordenador personalizable que se alimenta a una bioimpresora 3D, que deposita el cultivo de gel celular en una forma específica. Por ejemplo, pudieron cultivar material vegetal con la forma de un pequeño árbol de hoja perenne.

La investigación de este tipo es relativamente nueva, dice Borenstein.

«Este trabajo demuestra el poder que una tecnología en la interfaz entre la ingeniería y la biología puede aportar a un reto medioambiental, aprovechando los avances desarrollados originalmente para aplicaciones sanitarias», añade.

Los investigadores también demuestran que los cultivos celulares pueden sobrevivir y seguir creciendo durante meses después de la impresión, y que el uso de un gel más grueso para producir estructuras de material vegetal más gruesas no afecta a la tasa de supervivencia de las células cultivadas en el laboratorio.

‘Amigable con la personalización’

«Creo que la verdadera oportunidad aquí es ser óptimo con lo que se usa y cómo se usa. Si quieres crear un objeto que vaya a servir para algo, hay que tener en cuenta las expectativas mecánicas. Este proceso se presta mucho a la personalización», afirma Velásquez-García.

Ahora que han demostrado la eficacia de esta técnica, los investigadores quieren seguir experimentando para poder entender y controlar mejor el desarrollo celular. También quieren explorar cómo otros factores químicos y genéticos pueden dirigir el crecimiento de las células.

Esperan evaluar cómo su método podría transferirse a una nueva especie. Las plantas de zinnia no producen madera, pero si este método se utilizara para fabricar una especie arbórea de importancia comercial, como el pino, habría que adaptar el proceso a esa especie, dice Velásquez-García.

En última instancia, espera que este trabajo pueda ayudar a motivar a otros grupos a sumergirse en esta área de investigación para ayudar a reducir la deforestación.

«Los árboles y los bosques son una herramienta increíble para ayudarnos a gestionar el cambio climático, por lo que ser lo más estratégicos posible con estos recursos será una necesidad de la sociedad en el futuro», añade Beckwith.

---

---

Este artículo se publica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popular sitio que cubre noticias sobre la investigación, la innovación y la enseñanza del MIT.