ساخت مصالح ساختمانی به کمک موجودات زنده

اقتصاد۲۴- ساختمان‌ها چیزی برعکس بدن انسان نیستند. آن‌ها هم دارای استخوان و پوست هستند و نفس می‌کشند. این ساختمان‌های برقی‌شده، انرژی مصرف کرده، دما را تنظیم می‌کنند و ضایعاتی تولید می‌کنند. ساختمان‌ها نوعی ارگانیسم بی‌جان هستند. اما اگر ساختمان‌ها (دیوارها، کف‌ها و پنجره‌ها) واقعا زنده باشند و به‌وسیله‌ی مواد زنده رشد کرده و نگه‌داری شوند، چه؟

تصور کنید معماران از ابزار‌های ژنتیکی استفاده کنند تا معماری یک ساختمان را مستقیما در DNA یک ارگانیسم رمزگذاری کنند و سپس ساختمان‌هایی را بسازند که خود را ترمیم کرده، با ساکنان خود تعامل برقرار کرده و با محیط سازگار می‌شوند.

معماری زنده درحال انتقال از قلمرو داستان‌های علمی به آزمایشگاه است، زیرا گروهی از پژوهشگران رشته‌های مختلف، درحال تبدیل سلول‌های زنده به کارخانه‌های میکروسکوپی هستند. در دانشگاه کلرادو بولدر، ویل سروبار هدایت آزمایشگاه مواد زنده را برعهده دارد. سروبار با همکاری پژوهشگرانی در رشته‌های بیوشیمی، میکروبیولوژی، علوم مواد و مهندسی سازه از ابزار‌های زیست‌شناسی مصنوعی برای مهندسی باکتری‌ها به‌منظور تولید مواد معدنی و پلیمر‌های مفید و شکل‌دهی آن‌ها به حالت واحد‌های سازنده زنده‌ای که بتوانند روزی ساختمان‌ها را به زندگی بیاورند، استفاده می‌کند.

سروبار و همکارانش در مطالعه‌ای که در مجله‌ی Scientific Reports منتشر شده است، باکتری اشریشیا کلی را برای ایجاد ذرات سنگ آهک با اندازه‌ها، اشکال و سختی مختلف مهندسی ژنتیک کردند. آن‌ها در مطالعه‌ی دیگری، نشان دادند که اشریشیا کلی را می‌توان ازنظر ژنتیکی برای تولید استایرن برنامه‌ریزی کرد. استایرن نوعی ماده‌ی شیمیایی است که برای تولید فوم پلی‌استایرن که یونولیت نامیده می‌شود، استفاده می‌شود.
سلول‌های سبز برای ساختمان‌های سبز

در جدیدترین کار پژوهشگران که در مجله‌ی Matter منتشر شده است، آن‌ها از سیانوباکتر‌های فتوسنتزکننده استفاده کردند تا به آن‌ها در پرورش یک ماده‌ی ساختمانی کمک کند و آن را زنده نگه داشتند. مانند جلبک‌ها، سیانوباکتر‌ها ارگانیسم‌های سبزی هستند که در محیط اطراف یافت می‌شوند، اما بیشتر ازنظر رشد روی دیواره‌های مخزن ماهی شما معروف هستند. سیانوباکتر‌ها به‌جای انتشار کربن‌دی‌اکسید، از این گاز و نور خورشید برای رشد استفاده می‌کنند و در شرایط مناسب، یک سیمان زیستی ایجاد می‌کنند که پژوهشگران از آن برای کمک به اتصال ذرات شن به هم و ایجاد یک آجر زنده استفاده کردند.

پژوهشگران با زنده نگه داشتن سیانوباکترها، توانستند مواد ساختمانی را به شکل نمایی بسازند. آن‌ها یک آجر زنده را به دو نیمه تقسیم کرده و از این نیمه‌ها دو آجر کامل پرورش دادند. دو آجر کامل به چهار آجر و چهار آجر به هشت آجر رشد کردند. آن‌ها به‌جای ساخت یک آجر در هر زمان، از رشد نمایی باکتری برای پرورش آجر‌هایی زیادی به یکباره استفاده کردند که روش جدیدی برای ساخت مواد است.

البته تاکنون، پژوهشگران تنها کار‌های سطحی درزمینه‌ی ظرفیت مهندسی مواد زنده انجام داده‌اند. ارگانیسم‌های دیگر می‌توانند سایر کارکرد‌های زنده را به واحد‌های سازنده‌ی مواد منتقل کنند. برای مثال، باکتری‌های مختلف می‌توانند موادی را تولید کنند که خود را ترمیم کرده، محرک‌های خارجی مانند فشار و دما را حس کرده، دربرابر آن‌ها واکنش نشان داده و حتی روشن شوند. اگر طبیعت بتواند این کار‌ها را انجام دهد، مواد زنده نیز می‌توانند درجهت انجام آن مهندسی شوند. همچنین تولید ساختمان‌های زنده نسبت‌به ساختمان‌های استاندارد، انرژی کمتری می‌برد. امروزه، ساخت و حمل مواد ساختمانی، انرژی زیادی مصرف کرده و مقدار زیادی کربن‌دی‌اکسید منتشر می‌کند.

برای مثال، سنگ آهک برای تولید سیمان مورد استفاده در بتن سوزانده می‌شود. برای ساختن فولاد و شیشه، فلزات و شن استخراج و ذوب می‌شوند. ساخت، حمل و مونتاژ مصالح ساختمانی مسئول حدود ۱۱ درصد از انتشارات جهانی کربن‌دی‌اکسید است. تولید سیمان به‌تن‌هایی مسئول ۸ درصد از این انتشارات است. درمقابل، برخی از مواد زنده مانند آجر‌های سیانوباکتر درواقع کربن‌دی‌اکسید را می‌گیرند.

جولیانا آرتیه، پژوهشگر دانشگاه کلرادو بولدر درحالی‌که ظرف آزمایشگاه حاوی سیانوباکتر را که ازنظر ژنتیکی برای تولید مواد ساختمانی تغییر یافته است، در دست دارد

گروه‌هایی از پژوهشگران در سرتاسر جهان درحال نشان دادن قدرت و ظرفیت مواد مهندسی‌شده زنده در مقیاس‌های مختلفی ازجمله زیست‌لایه‌ی رسانای الکتریسیته، کاتالیروز‌های زنده‌ی تک‌سلولی برای واکنش‌های پلیمریزاسیون و فتوولتائیک زنده هستند.

پژوهشگران ماسک‌های زنده‌ای را ساخته‌اند که مواجهه‌با مواد شیمیایی سمی را حس کرده و تعامل برقرار می‌کنند. برخی پژوهشگران همچنین در تلاش برای رشد و مونتاژ مواد با استفاده از یک سلول واحد هستند که ازنظر ژنتیکی برنامه‌ریزی شده است. درحالی‌که اندازه‌ی یک سلول اغلب کمتر از یک میکرون است (یک‌هزارم میلی‌متر)، پیشرفت‌های حاصل‌شده درزمینه‌ی بیوتکنولوژی و چاپ سه‌بعدی تولید تجاری مواد زنده را در مقیاس انسانی امکان‌پذیر کرده است. برای مثال، شرکت بیوتکنولوژی اکوویتو با استفاده از میسیلیوم قارچی، مواد فوم‌مانندی را رشد می‌دهد. شرکت بیوماسون با استفاده از میکروارگانیسم‌ها، بلوک‌های سیمان زیستی و کاشی‌های سرامیکی تولید می‌کند.

اگرچه محصولات مذکور در پایان فرایند تولید دیگر زنده نیستند، پژوهشگران دانشگاه صنعتی دلفت، راهی برای پوشش‌دار کردن و چاپ سه‌بعدی باکتری‌های زنده به شکل ساختار‌های چند لایه ابداع کرده‌اند که می‌تواند هنگام مواجهه با مواد شیمیایی خاص از خود نور ساطع کند.

 

حوزه‌ی مواد زنده مهندسی‌شده هنوز در مراحل ابتدایی است و برای پر کردن شکاف بین پژوهش‌های آزمایشگاهی و دسترسی تجاری نیاز به پژوهش و توسعه‌ی بیشتری است. چالش‌هایی که دراین‌زمینه وجود دارد شامل هزینه، آزمایش، گرفتن جواز و افزایش مقیاس تولید است. پذیرش مشتری نیز مسئله‌ی دیگری است. برای مثال، صنعت ساخت‌و‌ساز دیدی منفی نسبت‌به موجودات زنده دارد: به اثر منفی کپک، عنکبوت، مورچه‌ها و موریانه‌ها فکر کنید.

پژوهشگرانی که درحال کار روی موجودات زنده هستند، همچنین باید به نگرانی‌های مرتبط با ایمنی و آلودگی زیستی این مواد بپردازند. اخیرا بنیاد ملی علوم آمریکا مواد زنده مهندسی‌شده را به‌عنوان یکی از اولویت‌های پژوهشی کلیدی کشور عنوان کرده است.

زیست‌شناسی مصنوعی و مواد زنده‌ی مهندسی‌شده نقشی مهم در مبارزه با چالش‌هایی که انسان در دهه‌ی ۲۰۲۰ و سال‌های پس از آن، با آن رو‌به‌رو است، خواهد داشت: تغییرات اقلیمی، تاب‌آوری در بلایا، پیری، زیرساخت‌های تحت‌فشار و اکتشافات فضایی. اگر بشریت چشم‌اندازی خالی داشت، مردم به نوآوری مشغول نمی‌شدند. پژوهشگران این حوزه از علم امیدوار هستند که دانشمندان با درک این مسئله، برای کمک به ساخت‌و‌ساز و ازبین‌بردن مرز بین محیط ساخته‌شده و محیط زنده‌ی طبیعی، از زیست‌شناسی کمک بگیرند. شاید به کمک این رویکرد، دیگر برای ساخت مصالح ساختمانی سراغ سوزاندن مواد، معدن‌کاری و ذوب سنگ‌ها نرویم.