01 أبريل 2024 (أضواء Nanowerk) في مواجهة التحديات البيئية المتزايدة، يبحث العلماء في جميع أنحاء العالم عن حلول مستدامة. تقدم المواد الحية الهندسية - المركبات التي تتضمن كائنات حية - وعدًا كبيرًا عن طريق تقليل اعتمادنا على المواد المشتقة من الوقود الأحفوري وتسخير الخصائص الفريدة للأنظمة الحية.

ثورة في علم المواد مع الكائنات الحية

المواد الحية مستوحاة من العالم الطبيعي، حيث تقوم النباتات والحيوانات والميكروبات بتصنيع مواد وظيفية بشكل روتيني كجزء من فسيولوجيتها الطبيعية. على سبيل المثال، تنتج الأشجار أنسجة خشبية تتكون من ألياف السليلوز الصلبة التي يتم ربطها معًا بواسطة "غراء" اللجنين، بينما يفرز بلح البحر البحري مواد لاصقة تحت الماء، وتقوم بعض البكتيريا بتوليد الكهرباء. تُظهر هذه الأنظمة الحية قدرات مميزة مثل التجميع الذاتي، والشفاء الذاتي، والاستجابة، والتخليق الحيوي التي يصعب تحقيقها باستخدام المواد الاصطناعية. يقدم مجال البيولوجيا التركيبية أدوات لإعادة برمجة الكائنات الحية على المستوى الجيني، مما يسمح للعلماء بهندسة المواد الحية بخصائص مخصصة. ومن خلال إدخال دوائر الجينات الاصطناعية، يمكن تصميم الميكروبات لاستشعار الإشارات الواردة من البيئة وتصنيع منتجات يحددها المستخدم وفقًا لذلك. يستكشف علماء المواد أيضًا كيفية دمج المكونات الحية مع الهياكل غير الحية مثل الهلاميات المائية والأجهزة الإلكترونية. تهدف "المواد الحية الهجينة" الناتجة إلى زيادة وظائف الكائنات الحية من خلال قوة المكونات الاصطناعية وقابليتها للتصنيع. تقوم العديد من الشركات الناشئة الآن بتسويق تقنيات المواد الحية المبكرة، لكنها لا تزال تواجه تحديات مثل ارتفاع تكاليف الإنتاج والقوة الميكانيكية المنخفضة مقارنة بالمواد التقليدية. ومع ذلك، إذا أمكن التغلب على هذه العقبات، فقد تحل المواد الحية ذات يوم محل المواد التقليدية غير المستدامة في تطبيقات تتراوح بين التعبئة والتغليف وإنشاء البنية التحتية.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

التعلم من الطبيعة: روائع تطورية في تصميم المواد

تنتج الكائنات الحية بشكل طبيعي مجموعة مذهلة من المواد الوظيفية باستخدام البروتينات والسكريات والمعادن. على سبيل المثال، تقوم النباتات الخشبية بتخليق اللجنين والسليلوز والهيميسيلولوز حيويًا لبناء جذوع الأشجار القوية، بينما يفرز بلح البحر البحري بروتينات لاصقة تحت الماء للالتصاق بالأسطح. والأكثر إثارة للاهتمام هو أن هذه المواد الحية تظهر خصائص ديناميكية تفتقر إليها نظيراتها الاصطناعية، مثل القدرة على التجميع الذاتي، والشفاء الذاتي بعد الإصابة، والتكيف مع المحفزات البيئية، والخضوع للتجديد الذاتي المستمر. ويهدف مجال المواد المستوحاة بيولوجيًا إلى تقليد مثل هذه الهياكل الطبيعية، لكن تكرار سماتها الحية يظل أمرًا صعبًا. الآن، هناك نهج ناشئ يتمثل في هندسة الكائنات الحية نفسها لتكون بمثابة "مصانع" ميكروبية لإنتاج مواد وظيفية. كخبراء في التركيب الكيميائي الحيوي بعد مليارات السنين من التطور، من المحتمل أن توفر الخلايا الحية طريقة مستدامة لتصنيع مجموعة كبيرة ومتنوعة من البوليمرات الحيوية المخصصة. يصنف الباحثون أنظمة المواد الحية بناءً على تصميماتها:

• المواد الحية ذاتية التنظيم: مبني فقط من مكونات حية مثل البكتيريا أو الفطريات أو خلايا الثدييات. إنهم يهدفون إلى تلخيص التجميع الذاتي الطبيعي والسلوكيات المستجيبة للبيئة.
• مواد حية هجينة: دمج المكونات الحية مع السقالات اللاأحيائية مثل الهلاميات المائية والأجهزة الإلكترونية. تعمل الأجزاء غير الحية على تحسين قابلية التصنيع وزيادة وظائف الكائنات الحية المدمجة.

يستخدم حذاء Adidas Concept، Stan Smith Mylo™، مواد مشتقة من الفطر. (الصورة: أديداس)

برمجة المواد الحية باستخدام البيولوجيا التركيبية

يوفر مجال البيولوجيا التركيبية الناشئ مجموعة أدوات لإعادة برمجة الكائنات وراثيًا باستخدام مبادئ النمطية والتوحيد والنمذجة. باستخدام مكتبات أجزاء الحمض النووي المميزة جيدًا والتي تشفر الوظائف الجينية الأساسية، يستطيع علماء الأحياء التخليقية تقديم دوائر جينية اصطناعية لإعطاء الخلايا قدرات تشبه الكمبيوتر. على سبيل المثال، تسمح شبكات الجينات المُهندَسة للميكروبات باستشعار الإشارات الكيميائية، أو إجراء حسابات منطقية، أو مزامنة سلوكياتها بين المجموعات السكانية. من خلال الاستفادة من البيولوجيا التركيبية، يستكشف الباحثون استراتيجيات مختلفة لتطوير مواد حية ذاتية التنظيم ذات وظائف مبرمجة:

• تخصيص اللبنات المادية: يمكن تفعيل البروتينات أو السكريات التي تفرزها الخلايا عن طريق دمجها مع الببتيدات أو البروتينات باستخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف. على سبيل المثال، E. كولاي تم تعديل بروتينات مصفوفة الأغشية الحيوية لتمكين امتصاص المعادن الثقيلة والالتصاق تحت الماء.
• تصميم دوائر الجينات المستجيبة للتحفيز: إن تقديم دوائر تكتشف إشارات مثل السموم أو الضوء أو المجالات الكهربائية يسمح للمواد الحية بالإحساس بالبيئات والاستجابة لها ديناميكيًا.
• هندسة الاتصالات بين الخلايا: إن دمج وحدات الاتصال، مثل استشعار النصاب، يمكّن مجموعات الخلايا الهندسية من التنظيم الذاتي الجماعي لتصنيع المواد وأدائها.
• بناء اتحادات ميكروبية اصطناعية: تقسيم المهام عبر مجموعات سكانية مختلفة يسمح بوظائف مادية أكثر تعقيدًا من خلال توزيع العبء الأيضي.

وإلى جانب الأمثلة المذكورة، توفر الطبيعة كنزًا من الإلهام. يتميز حرير العنكبوت بالقوة والمرونة الملحوظتين، بينما تُظهر العظام قدرات على التجديد الذاتي. ويستكشف الباحثون كيفية محاكاة هذه الخصائص في المواد الهندسية. على سبيل المثال، يتم استخدام الميسليوم، وهو البنية الشبيهة بجذور الفطريات، في إنشاء مواد تعبئة وبناء مستدامة. يتم دمج البكتيريا القادرة على إنتاج كربونات الكالسيوم في الخرسانة ذاتية الشفاء والتي يمكنها إصلاح شقوقها. حتى أن العلماء يقومون بتصميم أقمشة تحتوي على ميكروبات تغير لونها استجابة للتلوث أو درجة الحرارة.

عوالم التجسير: التآزر بين المواد الهجينة الحية وغير الحية

على الرغم من أنها تتكون من الحياة تمامًا، إلا أن المواد المصنعة بواسطة الكائنات المعدلة وراثيًا تعاني حاليًا من قيود مثل القوة الميكانيكية الضعيفة. ولمعالجة هذه المشكلة، يستكشف الباحثون أنظمة هجينة تجمع بين الخلايا الحية والمكونات اللاأحيائية القوية مع الاستفادة من تقنيات التصنيع من علم المواد. على سبيل المثال، تقنيات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد و الموائع الدقيقة تمكين التغليف المتحكم فيه للخلايا الحية داخل الهلاميات المائية البوليمرية القابلة للتخصيص. توفر هذه المواد الهلامية بيئة مائية ناعمة للحفاظ على بقاء الخلية مع تعزيز الخصائص الفيزيائية للمادة الهجينة الشاملة. وفي حالات أخرى، قام الباحثون بدمج مكونات وظيفية غير حية تتآزر مع التمثيل الغذائي الميكروبي لتمكين قدرات مادية جديدة. تشمل الأمثلة الجسيمات النانوية شبه الموصلة التي تجمع الطاقة الضوئية لتشغيل ثاني أكسيد الكربون2- إصلاح البكتيريا وأجهزة الاستشعار الإلكترونية التي تتفاعل مع الدوائر الوراثية الهندسية.

تطبيقات العالم الحقيقي للمواد الحية

لا تقتصر القوة التحويلية للمواد الحية على مقاعد المختبرات أو الدراسات النظرية؛ إنها حقيقة تتكشف في قطاعات متنوعة حول العالم. توضح هذه التطبيقات الواقعية كيف أن التكامل المبتكر لعلم الأحياء مع المبادئ الهندسية يجعل الحلول المستدامة ملموسة ويمكن الوصول إليها. من المباني التي تقوم بإصلاح نفسها إلى المنسوجات التي تتفاعل مع جسم الإنسان، ومواد التعبئة والتغليف المزروعة من الجذور الفطرية، تسلط دراسات الحالة أدناه الضوء على المنتجات والتقنيات الفعلية التي لها تأثير بالفعل. ومن خلال سد الفجوة بين حكمة الطبيعة والإبداع البشري، فإن هذه الأمثلة لا تؤكد على التطبيق العملي للمواد الحية فحسب، بل تؤكد أيضًا قدرتها على تغيير الصناعات بشكل كبير، وتحسين النتائج البيئية، وتعزيز الحياة اليومية. الهياكل المعمارية الحية • تركيب هاي فاي، الذي أنشأته المجموعة المعمارية The Living، يجسد إمكانات مواد الهندسة الحيوية في البناء. تم بناء المبنى من الطوب القابل للتحلل الحيوي المصنوع من سيقان الذرة والأفطورة الحية، ويوضح الهيكل كيف يمكن استخدام المواد الحية لإنشاء مشاريع معمارية مستدامة وقابلة للتحلل ولا تتنازل عن القوة أو التصميم، مما يشير إلى مستقبل المباني الخضراء. عرض التثبيت لـ Hy-Fi. (الصورة: متحف الفن الحديث) مواد بناء صديقة للبيئة من Mycelium تعد الميسيليوم، وهي البنية الجذرية للفطريات، في طليعة ابتكارات المواد المستدامة، مع شركات مثل MycoWorks و التصميم البيئي تقود الطريق. تقوم هذه الشركات بتسخير عمليات النمو الطبيعي للميسليوم لإنتاج مواد ليست قوية ومتينة فحسب، بل قابلة للتحلل تمامًا أيضًا. ومن خلال تغذية الفطريات الزراعية بالمخلفات الزراعية، يقومون بتشكيلها في منتجات تتراوح من بدائل الجلود إلى مواد التعبئة والتغليف والعزل، مما يقدم مثالًا مقنعًا لمبادئ الاقتصاد الدائري في العمل. خرسانة ذاتية الشفاء خرسانة البازيليسق ذاتية الشفاء يمثل تقدما رائدا في مواد البناء. تحتوي هذه الخرسانة المبتكرة على بكتيريا محددة تنشط عند تعرضها للماء لملء الشقوق بالحجر الجيري، مما يؤدي إلى شفاء الخرسانة بشكل أساسي. تعمل هذه العملية على إطالة عمر المادة بشكل كبير، وتقليل تكاليف الصيانة، وتوفر بديلاً صديقًا للبيئة من خلال تقليل البصمة الكربونية الإجمالية لصناعة الخرسانة. إنتاج البلاستيك الحيوي AirCarbon من شركة Newlight Technologies يعالج التحديات المزدوجة المتمثلة في التلوث البلاستيكي وتغير المناخ من خلال استخدام البكتيريا الآكلة للميثان لإنتاج بديل بلاستيكي قابل للتحلل. تلتقط هذه العملية غاز الميثان - وهو أحد غازات الدفيئة القوية - من الهواء وتحوله إلى مادة يمكن استخدامها لمجموعة واسعة من المنتجات، بدءًا من عناصر الأزياء وحتى تغليف المواد الغذائية، مما يعرض نهجًا جديدًا للحد من انبعاثات الكربون والنفايات. الطلاءات الحية المهندسة النيلي الزراعة يستخدم أغلفة البذور الميكروبية لتعزيز صحة المحاصيل وإنتاجيتها بطريقة مستدامة. تحتوي هذه الطلاءات على بكتيريا مفيدة تعمل على تحسين قدرة النبات على مقاومة الجفاف والآفات، مما يقلل الحاجة إلى الأسمدة الكيماوية والمبيدات الحشرية. ولا يدعم هذا النهج المبتكر الممارسات الزراعية المستدامة فحسب، بل يسلط الضوء أيضًا على إمكانية مساهمة المواد الحية في تحقيق الأمن الغذائي العالمي. أجهزة استشعار حيوية يمكن ارتداؤها معمل Morphing Matter Lab هي شركة رائدة في علم الأحياء، وهي دمج المواد الحية في صناعة النسيج بنسيجها سريع الاستجابة، والذي يشتمل على الخلايا الحية من بكتيريا الناتو (العصوية الرقيقة) كمشغل نانوي حساس للرطوبة. تفتح أغطية القماش وتغلق استجابة لعرق مرتديها، مما يوفر تهوية طبيعية. ويفتح هذا الابتكار الذكي في مجال المنسوجات إمكانيات جديدة للتكنولوجيا القابلة للارتداء، حيث يجمع بين الراحة والعملية والاستدامة.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

تحقيق إمكانات الاستدامة للمواد الحية

يعتقد المناصرون أن المواد الحية يمكن أن تقدم العديد من فوائد الاستدامة مقارنة بالتصنيع التقليدي، بما في ذلك:

• استخدام الميكروبات المعدلة وراثيا كمصانع للخلايا لإنتاج البلاستيك الحيوي المتجدد وبدائل الجلود والأصباغ. وهذا يقلل من الاعتماد على المواد الأولية البتروكيماوية.
• توظيف الكائنات الحية في المعالجة الحيوية النشطة للملوثات والنفايات. تُظهِر الميكروبات المهندسة إمكانات واعدة لالتقاط الكربون من الهواء أو تحلل النفايات البلاستيكية.
• تصميم أغلفة حية تحتوي على البروبيوتيك تعمل على إطالة العمر الافتراضي للأغذية، مما يقلل من التلف والهدر.
• استخدام البكتيريا المثبتة للنيتروجين أو المعادن كأسمدة ميكروبية لتحقيق زراعة أكثر استدامة، مما يقلل متطلبات الأسمدة الاصطناعية.

رغم أن المواد الحية تحمل وعودًا هائلة، إلا أنه لا بد من معالجة العديد من العقبات قبل اعتمادها على نطاق واسع. تتجاوز تكاليف الإنتاج حاليًا العديد من المواد التقليدية. يثير استخدام الكائنات المعدلة وراثيا مخاوف تتعلق بالسلامة البيولوجية، مما يتطلب احتواء صارم وتقييمات للمخاطر البيئية. يختلف التصور العام للبيولوجيا التركيبية، وسيكون التواصل الواضح حول الفوائد والمخاطر المحتملة أمرًا بالغ الأهمية. وأخيرًا، تتطلب هندسة المواد الحية نهجًا متعدد التخصصات حقًا، مما يعزز التعاون بين المجالات التي قد لا تتفاعل تقليديًا. ومع ذلك، تمثل المواد الحية تقاطعًا مثيرًا بين البيولوجيا التركيبية وعلوم المواد. ومع التقدم المستمر في هندسة الخلايا وإدارة المجتمعات الميكروبية، قد توفر التقنيات الحية ذات يوم حلولاً مستدامة لتصنيع المواد الكيميائية، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وعزل الكربون من الهواء، وغير ذلك الكثير. ولكن ستكون هناك حاجة لإحراز تقدم كبير في هذا المجال لجعل هذه الرؤية المستقبلية حقيقة واقعة. في الختام، تمثل المواد الحية المهندسة نهجا رائدا للتصنيع المستدام، وتقدم بديلا مقنعا للمواد الاصطناعية التقليدية. ومن خلال تسخير قوة الكائنات الحية ودمجها مع التقنيات الهندسية المتقدمة، يقوم العلماء والمبتكرون بإنشاء مواد تظهر خصائص رائعة مثل التجميع الذاتي، والشفاء الذاتي، والقدرة على التكيف. من مواد البناء الصديقة للبيئة المزروعة من الأفطورة إلى الخرسانة ذاتية الشفاء والمواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي التي تنتجها البكتيريا، تُظهر التطبيقات الواقعية للمواد الحية قدرتها على إحداث ثورة في الصناعات، وتقليل التأثير البيئي، وتعزيز حياتنا اليومية. ومع استمرار تقدم هذا المجال، ومع التقدم في البيولوجيا التركيبية والتعاون متعدد التخصصات، تستعد المواد الحية للعب دور حاسم في تشكيل مستقبل أكثر استدامة. ومع ذلك، فإن تحقيق هذه الإمكانية سيتطلب معالجة تحديات مثل تكاليف الإنتاج، والمخاوف المتعلقة بالسلامة الحيوية، والتصور العام. ومع ذلك فإن الوعد الذي توفره المواد الحية لا يمكن إنكاره، ويمثل تطويرها جبهة مثيرة في البحث عن حلول مبتكرة لتحديات الاستدامة العالمية.

اكتشف المزيد: بوابة لمستقبل المواد الحية

تكشف ألياف الهيدروجيل الحية عن حقبة جديدة من المواد الهندسية المستدامة مصممة للتكيف: المواد الحية هي مستقبل البناء المستدام يمكن لـ "المواد الحية" المطبوعة ثلاثية الأبعاد تنظيف المياه الملوثة (مع فيديو) يمكن للمواد الإنشائية الحية أن تفتح آفاقًا جديدة للمهندسين والمعماريين الهلاميات المائية الحية الهندسية يزرع الباحثون مواد معيارية واسعة النطاق من البكتيريا استخدام البكتيريا الحية لتصميم مواد هندسية ذاتية النمو

By

مايكل
بيرجر

- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©

نانويرك ذ

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php