ماده زنده چندکاره مبتنی بر قارچ؛ مقاوم در برابر پارگی و قابل خوردن به‌صورت ایمن
مواد زیست‌تخریب‌پذیر که به‌صورت پایدار تولید می‌شوند، یکی از محورهای مهم علم مواد مدرن هستند. با این حال، هنگام کار با مواد طبیعی مانند سلولز، لیگنین یا کیتین، پژوهشگران با یک دوگانگی مواجه می‌شوند. اگرچه این مواد در حالت خالص خود زیست‌تخریب‌پذیر هستند، اما اغلب از نظر عملکرد ایده‌آل نیستند. مراحل فرآوری شیمیایی می‌تواند آن‌ها را قوی‌تر، مقاوم‌تر یا انعطاف‌پذیرتر کند، اما با انجام این کار، پایداری زیست‌محیطی آن‌ها اغلب به خطر می‌افتد.
پژوهشگران امپا از آزمایشگاه مواد سلولزی و چوبی اکنون ماده‌ای زیست‌پایه توسعه داده‌اند که هوشمندانه این مصالحه را دور می‌زند. این ماده نه تنها کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر است، بلکه در برابر پارگی مقاوم بوده و دارای خواص عملکردی متنوعی است. همه این‌ها با حداقل مراحل فرآوری و بدون استفاده از مواد شیمیایی انجام می‌شود. حتی می‌توانید آن را بخورید و راز آن این است که این ماده زنده است.
بهینه‌شده توسط طبیعت
برای ساخت این ماده نوآورانه، پژوهشگران از میسلیوم قارچsplit-gill ، یک قارچ خوراکی رایج که روی چوب مرده رشد می‌کند، استفاده کردند. میسلیوم‌ها ساختارهای نخ‌مانند ریشه‌ای قارچ هستند که به عنوان منابع بالقوه مواد، به طور فعال مورد تحقیق قرار می‌گیرند. معمولاً الیاف میسلیومی-که هیف نامیده می‌شوند-تمیز و در صورت لزوم به صورت شیمیایی فرآوری می‌شوند، که همین موضوع همان مصالحه بین عملکرد و پایداری را ایجاد می‌کند.
پژوهشگران امپا رویکرد متفاوتی را انتخاب کردند. آن‌ها به جای فرآوری میسلیوم، آن را به طور کامل به کار گرفتند. قارچ هنگام رشد، نه تنها هیف‌ها را شکل می‌دهد، بلکه یک ماتریکس خارج‌سلولی نیز تولید می‌کند: شبکه‌ای از ماکرومولکول‌های مختلف شبیه الیاف، پروتئین‌ها و سایر مواد زیستی که توسط سلول‌های زنده ترشح می‌شوند.
اشوتوش سینها، پژوهشگر امپا، توضیح می‌دهد: »قارچ از این ماتریکس خارج‌سلولی برای ایجاد ساختار و سایر خواص عملکردی برای خود استفاده می‌کند. چرا ما نباید همین کار را انجام دهیم؟».
گوستاو نیستروم، رئیس آزمایشگاه مواد سلولزی و چوبی، اضافه می‌کند: »طبیعت پیشاپیش یک سیستم بهینه‌شده را توسعه داده است.»
با اندکی بهینه‌سازی اضافی، پژوهشگران به طبیعت کمک کردند. آن‌ها از میان تنوع ژنتیکی عظیم قارچ split-gill، سویه‌ای را انتخاب کردند که به طور ویژه مقادیر بالایی از دو ماکرومولکول خاص تولید می‌کند: پلی‌ساکارید زنجیره‌بلند شیزوفیلان و پروتئین شبیه صابون هیدروفوبین.
به دلیل ساختارشان، هیدروفوبین‌ها در مرز بین مایعات قطبی و غیرقطبی، مانند آب و روغن، تجمع می‌یابند. شیزوفیلان یک نانوالیاف است: کمتر از یک نانومتر ضخامت دارد اما بیش از هزار برابر طول آن است. این دو زیست‌مولکول با هم به ماده میسلیوم زنده خواصی می‌دهند که آن را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌سازد.
یک امولسیفایر زنده
پژوهشگران، چندکاره بودن این ماده را در آزمایشگاه به نمایش گذاشتند. در مطالعه خود، دو کاربرد ممکن برای این ماده زنده را ارائه کردند: یک فیلم شبیه پلاستیک و یک امولسیون. امولسیون‌ها مخلوط‌هایی از دو یا چند مایع هستند که معمولاً با هم مخلوط نمی‌شوند. برای دیدن یک نمونه کافی است یخچال را باز کنید: شیر، سس سالاد یا مایونز همگی امولسیون هستند. بسیاری از لوازم آرایشی، رنگ‌ها و لاک‌ها نیز به صورت امولسیون وجود دارند.
یکی از چالش‌ها، پایدار نگه داشتن چنین مخلوط‌هایی است تا با گذشت زمان به مایعات جداگانه تبدیل نشوند. اینجاست که میسلیوم زنده قدرت خود را نشان می‌دهد: هم الیاف شیزوفیلان و هم هیدروفوبین‌ها به عنوان امولسیفایر عمل می‌کنند و قارچ به طور مداوم مقدار بیشتری از این مولکول‌ها را آزاد می‌کند.
سینها می‌گوید: «این احتمالاً تنها نوع امولسیونی است که با گذشت زمان پایدارتر می‌شود». هم رشته‌های قارچی و هم مولکول‌های خارج‌سلولی آن کاملاً غیرسمی، زیست‌سازگار و خوراکی هستند-قارچ split-gill به طور معمول در بسیاری از نقاط جهان مصرف می‌شود. نیستروم می‌گوید: «بنابراین استفاده از آن به عنوان امولسیفایر به‌ویژه در صنایع آرایشی و غذایی جالب است.»
از کیسه کمپوست تا باتری
شبکه قارچی زنده همچنین برای کاربردهای کلاسیک مواد مناسب است. در آزمایشی دیگر، پژوهشگران میسلیوم را به فیلم‌های نازک تبدیل کردند. ماتریکس خارج‌سلولی با الیاف بلند شیزوفیلان، استحکام کششی بسیار خوبی به ماده می‌بخشد که می‌توان آن را با هم‌ترازی هدفمند رشته‌های قارچی و پلی‌ساکاریدی درون آن بیشتر تقویت کرد.
نیستروم توضیح می‌دهد :«ما روش‌های اثبات‌شده پردازش مواد مبتنی بر فیبر را با حوزه نوظهور مواد زنده ترکیب می‌کنیم». سینها اضافه می‌کند: «میسلیوم ما به نوعی یک کامپوزیت فیبری زنده است«.
پژوهشگران می‌توانند خواص ماده قارچی را با تغییر شرایط رشد قارچ کنترل کنند. همچنین ممکن است استفاده از سویه‌ها یا گونه‌های قارچی دیگر که ماکرومولکول‌های عملکردی متفاوتی تولید می‌کنند، قابل تصور باشد.
کار با مواد زنده همچنین چالش‌هایی دارد. نیستروم می‌گوید: «مواد زیست‌تخریب‌پذیر همیشه به محیط خود واکنش نشان می‌دهند. ما می‌خواهیم کاربردهایی پیدا کنیم که این تعامل مانع نباشد بلکه حتی مزیت باشد«.
با این حال، زیست‌تخریب‌پذیری تنها بخشی از داستان میسلیوم است. این ماده همچنین یک تجزیه‌کننده زیستی است: قارچ split-gill می‌تواند به طور فعال چوب و سایر مواد گیاهی را تجزیه کند.
سینها کاربرد بالقوه دیگری را می‌بیند: «به جای کیسه‌های پلاستیکی کمپوست‌پذیر، می‌توان از آن برای ساخت کیسه‌هایی استفاده کرد که خودشان ضایعات آلی را کمپوست می‌کنند«.
همچنین کاربردهای امیدوارکننده‌ای برای میسلیوم در حوزه الکترونیک پایدار وجود دارد. برای مثال، ماده قارچی واکنش برگشت‌پذیری به رطوبت نشان می‌دهد و می‌تواند برای تولید حسگرهای رطوبت زیست‌تخریب‌پذیر استفاده شود. کاربرد دیگری که تیم نیستروم روی آن کار می‌کند، ترکیب ماده زنده با دو پروژه تحقیقاتی دیگر از آزمایشگاه مواد سلولزی و چوب است: بیوباتری قارچی و باتری کاغذی.
سینها می‌گوید: «ما می‌خواهیم یک باتری فشرده و زیست‌تخریب‌پذیر تولید کنیم که الکترودهای آن از یک «کاغذ قارچی» زنده تشکیل شده باشد.
نویسنده خبر: مهدیه رنجبر
مرجع :
بدون دیدگاه