代尔夫特理工大学的科学家们发现了受限制的微藻细胞如何在光合作用工程生物材料中生长得最佳。微藻利用光能，将空气中的二氧化碳转化为生存所需的糖、能量和氧气。这种以藻类为基础的生物材料可用于一系列应用，从用于二氧化碳捕获的功能性物体到用于生物组织的氧气源。
由Marie-Eve Aubin-Tam和Kunal Masania领导的团队在《先进材料》杂志上发表了他们的新见解。
生物物理学家Aubin-Tam解释说:“工程生物材料(elm)是一种令人兴奋的新型材料，有可能彻底改变社会。”“一个例子是光合作用生物材料，在这些材料中，生物体会进行积极的光合作用。”
在自然界中，许多细菌、藻类和植物进行光合作用;它们吸收二氧化碳、水和光并产生糖来生存。“我们用光合藻类研究了elm，这些藻类最终可以用来向生物或工程组织输送氧气，在这些组织中，氧气供应通常是生长的限制因素。”鉴于器官移植的需求日益增长，生物组织的人工工程尤为重要。
“阻碍这些材料大规模使用的一个主要限制是，我们目前不知道如何控制这些材料中细胞的生长。这是我们调查过的。我们研究了细胞的生长是如何受到材料形状、光照、营养物质和二氧化碳的影响的，”Aubin-Tam说。
该论文的第一作者Jeong-Joo Oh补充说:“我们还能够证明细胞主要沿着材料的边缘生长，在那里它们更容易接触到空气和光线。”研究人员发现，具有大表面积的薄结构可以提高elm的效率。在这种情况下，相当大一部分细胞沿着边缘分布，因此在空气附近。
有趣的是，大自然也得出了同样的结论，因为ELM中的细胞生长与植物叶子的结构相匹配。叶子的结构薄，表面积大，可以使大部分细胞暴露在阳光下。
“在我们的研究结果中，我们说明了光线和二氧化碳的可及性是关键。在结构中引入气体交换的小开口明显改善了内层细胞的生长。然而，这是以加速脱水为代价的，这最终对细胞不利，”材料科学家马萨尼亚说。
这种行为也类似于自然。叶子有非常小的孔，叫做气孔。“就像门一样，叶子打开气孔来促进气体交换，同时不让太多的水逸出。对二氧化碳短缺做出反应的机制，比如叶片的气孔，将对光合榆树非常有益，并在未来增加它们的寿命和效率，”马萨尼亚说。
在这项研究中，研究小组研究了不同形状的材料及其对细胞生长的影响。“为了实现这一点，我们需要设计一种新的墨水成分，这种材料从打印机中出来。我们正在寻找一种新的墨水，使我们能够打印更大、更复杂的物体，”Aubin-Tam解释说。
当她在应用科学学院的团队研究细胞的生长时，来自航空航天工程学院的Masania开始为一种新的3D可打印墨水的开发做出贡献。与来自工业设计工程学院的Elvin Karana一起，他们探索了为未来应用生产活光合作用材料的3D结构的可能性。
Aubin-Tam总结道:“研究elm内的细胞生长对它们的有效利用和优化功能至关重要。”“我们希望我们的工作能激励生物学家、材料科学家、计算机科学家和工程师进一步研究细胞生长和这种新型材料的特性。”
更多信息:Jeong‐Joo Oh等，Chlamydomonas Reinhardtii在3D水凝胶中的生长、分布和光合作用，Advanced Materials(2023)。DOI: 10.1002 / adma.202305505
代尔夫特理工大学提供
引文:藻类中的生物材料如何最好地捕获碳(2024年1月15日)，2024年1月16日检索自https://phys.org/news/2024-01-materials-algae-capture-carbon.html
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