自然は木を作ります。研究室はそれをさらに良くすることができるでしょうか？

人間が自然を弄んできた方法は様々ですが、森や野原から材料を育て、採取する方法は根本的に変わっていません。例えば木材を得るためには、木を植え、成長させ、伐採します。木材やその他の植物由来の素材は再生可能な資源かもしれませんが、使用可能な形にするには、通常、多くの輸送、製材、加工が必要です。

現在、MITの研究者グループは、こうした非効率性を大幅に削減することを目指しています。研究者たちは実験室で木質に似た植物組織を培養しました。この技術をスケールアップすれば、将来的には、林業や農業の環境負荷削減を目的とした、実験室で培養された木材、繊維、その他のバイオマテリアルの開発につながる可能性があります。この研究は、Journal of Cleaner Production誌に最近掲載された論文で発表されています。

「もしこれが植物材料を生産するための開発されたプロセスになれば、農地への負担をいくらか軽減できると期待しています。そして、負担が軽減されれば、より多くの空間を自然のままに残し、より多くの森林を元の状態に保つことができるようになるでしょう」と、本研究の筆頭著者であり、MITで機械工学の博士課程に在籍するアシュリー・ベックウィズ氏は述べています。

ベックウィズ氏の以前の研究は、3Dプリントされたマイクロ流体工学を腫瘍断片の分析などの生物医学的用途に活用することを検討していました。しかし、有機農場で働き、その実態を学ぶ中で、彼女は農業資源と天然資源のより効率的な利用に興味を持つようになりました。

研究室で栽培された植物は、気候、農薬、耕作地に依存しません。また、植物の有用な部分だけを生産することで、廃棄される樹皮や葉、その他の余分な物質を排除できると研究者らは指摘しています。「より高度なアイデアは、必要な場所で、必要な時に商品を生産することです」と、研究の共著者であり、MITマイクロシステム技術研究所の主任研究科学者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス＝ガルシア氏は述べています。「現在、私たちはごく限られた場所で商品を生産し、それを広く普及させるというモデルを採用しています。」

研究室で植物組織を育てるには、種子ではなく細胞から始める。研究者らは、ジニア・エレガンスの若い葉から生きた細胞を抽出した。ジニア・エレガンスが選ばれたのは、成長が早く、細胞分化（細胞がある種類から別の種類に変化する過程）についてよく研究されているからである。栄養ブロス培養に置かれ、細胞は増殖した後、さらなる成長のためにゲルに移された。「細胞はこのゲルの足場の中に浮遊しており、時間の経過とともに成長・発達して足場の容積を満たすとともに、私たちが関心のある細胞の種類に形質転換します」とベックウィズ氏は言う。この足場には細胞の成長を維持するための栄養素とホルモンが含まれているため、植物由来の材料は受動的に成長し、日光や土壌は必要ない。

しかし、植物細胞とゲルを混ぜ合わせただけでは、多少の調整をしなければ、実用に耐えるものにはなりません。そこで研究者たちは、ゲル培地中のホルモン濃度、pH、初期の細胞密度といった様々な変数を操作することで、発育にどのような影響を与え、結果として得られる植物組織の特性にどのような変化をもたらすかを検証しました。「植物細胞は、そのきっかけを与えれば、異なる細胞へと変化する能力を持っています」とベラスケス＝ガルシア氏は言います。「細胞に様々なことをさせるように仕向ければ、望む特性が得られるのです。」

木質のような材料を得るために、研究者たちは植物細胞を、水分とミネラルを輸送し木質組織を構成する維管束細胞へと分化させる必要がありました。細胞が発達するにつれて、リグニン（強度を与えるポリマー）で強化された厚い二次細胞壁が形成され、より硬くなっていきます。培養物を蛍光顕微鏡で分析することで、研究者たちはどの細胞が木質化（または木材化）しているかを観察し、その肥大化と伸長を評価することができました。

印刷段階になると、ゲルを加熱し、3Dバイオプリントすることで、冷却・固化後にほぼあらゆる形状に成形できるようになりました。研究チームが作製した濃い緑色の組織は非常に硬いですが、ほとんどの建築用途には構造的に十分な強度がありません。ベックウィズ氏によると、現在、印刷された薄い長方形の構造物の長さはわずか数センチで、機械試験と特性評価を実施中ですが、より大きなサイズの印刷は実現可能であるとのことです。（ちなみに、研究者たちは犬の骨や木の形をした構造物も印刷するという、ちょっとした遊びにも挑戦しました。）

ジニア・エレガンスプロジェクトは、彼らが試した栽培技術の概念実証に近いものでした。次のステップは、これらの技術を他の植物種に応用し、有用な特性を持つより丈夫な材料を生産できるようにすることです。ベックウィズ氏によると、当初はこれらの材料は従来の植物製品よりも高価になる可能性がありますが、収穫、加工、製造の工程を省略できるため、最終的にはコスト削減につながる可能性があります。

研究者たちは、将来的には家具のような完成品を印刷できるようになるかもしれないと考えていますが、木材のような材料で既製のブロックや梁を生産するだけでも、木材を伐採して使用可能な形に成形するために必要なエネルギーを削減できる可能性があります。ゲル培地の調製に必要な水の使用量は厳密に制御できるため、流出量を削減できます。ベックウィズ氏によると、研究室で植物組織を培養するには数ヶ月かかることもありますが、例えばポプラを育てて収益性の高い木材量に達するまで20年待つよりもはるかに早いということです。

家具全体を栽培するという魅力的な可能性に加え、植物由来の素材は燃料や化学物質の生産を向上させる可能性があると、ウィスコンシン大学マディソン校生物システム工学部のシュエジュン・パン教授（この研究には関与していない）は述べている。「必ずしも丈夫な木材を栽培する必要はありません。例えば、バイオ産業の将来の原料として、競争力と生産性を兼ね備えたバイオマスを生産できれば、それは魅力的なことかもしれません」とパン教授は語る。

印刷可能な有機物を使ったこの初期の研究は、将来、温度反応や自己修復機能を得るために生きた細胞を使う先進的な材料やデバイスを作るための手がかりを与えてくれるかもしれない、と研究共著者でチャールズ・スターク・ドレイパー研究所のグループリーダー、ジェフリー・ボレンスタイン氏は言う。非営利の工学研究開発会社であるこのプロジェクトに資金を提供し、ベックウィス氏にフェローシップを提供している同研究所は、植物では生きた細胞が刺激を感知し、環境の変化に反応することができる。この能力を材料に組み込むことができれば、変革をもたらす可能性がある。「成長したり、環境に反応したり、自己修復したりできる材料は大きな力を持つだろう」とボレンスタイン氏は言う。「生きた細胞から作られているという事実が、以前なら極めて複雑だったであろう方法でこれを可能にするのだ」

研究者らによると、植物細胞のバイオプリンティングはまだ広く研究されておらず、印刷された構造物で調整可能な植物組織を選択的に成長させる研究はおそらく初めてのことだという。しかし、最も環境に優しい野心でさえ、批判的に評価される必要がある。木を地中に残すことはすべて勝利のように聞こえるが、研究室で栽培された木材産業の将来的な影響を予測するのは難しい。比較のために、特に牛肉などの食肉生産の環境コストの削減を目指す培養肉を考えてみよう。研究室で栽培された肉は、研究室で栽培された植物材料よりもはるかに進んでいますが、産業規模拡大前の排出量削減の評価は不明確になることがあります。例えば、牛のメタン排出を、食肉培養施設の稼働に必要な電力からの二酸化炭素排出に置き換えることは、不確実なトレードオフです。また、産業プロセスに必要な水量が、牛の飼育に必要な量と比べてどれくらいなのかもまだ明らかではありません。

標準化された実験室栽培植物材料の生産規模を拡大するには、ホルモンレベルやpH、ゲル骨格内の機械的力、細胞間の生化学的シグナル伝達など、細胞発達に影響を与える要因へのより深い理解も必要となる。つまり、研究すべきことはまだまだ山積しているのだ。また、ベラスケス＝ガルシア氏によると、他の植物の組成が多様であることを考えると、ジニア・エレガンスの栽培技術を他の種に適用するのは困難かもしれない。「このアイデアを徹底的に探求するには、おそらくより多くの人材と、より多くの専門知識が必要になるでしょう」と彼は言う。しかし、より持続可能な解決策を生み出すには大胆なアイデアが必要であり、実験室栽培が自然由来のものよりも優れている場合もあると彼は考えている。

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