Ксилема, или древесина, — проводящая ткань растений, ее основная функция — транспорт воды и растворенных в ней неорганических веществ. Кроме того, ксилема придает прочность растению за счет толстых клеточных стенок с лигнином, твердым природным полимером. Изделия из древесины часто называют экологичными из-за возобновляемости растительного ресурса. Однако площадь лесов постоянно сокращается: в период с 1990 по 2016 человечество потерялооколо 1,3 миллионов квадратных километров лесов — это больше, чем три Забайкальских края.

За всю историю использования древесных материалов технология их заготовления не претерпевала значительных изменений: люди выращивают целые деревья, отделяют необходимые его части, а ненужное выбрасывают или сжигают. Такой подход не только нерациональным, но и более затратным, чем он мог бы быть: лишь часть выращенного растения действительно используется, а к временным расходам и расходам на землю, воду, удобрения и пестициды (в лесохозяйстве удобрения и пестициды тоже используются) добавляются стоимость транспортировки и переработки растений. Без принципиальных изменений процесса получения древесины сильно улучшить ситуацию вряд ли получится.

Тем временем растительные клетки демонстрируют впечатляющие способности развития ex planta: живые клетки могут давать началопрактически любому типу растительной ткани или даже целому растению. Такое их свойство уже используется, например, в технологии микроклонального размножения растений, когда культивирование ex planta образца ткани материнского растения позволяет получить сотни и тысячи генетически одинаковых молодых ростков. Это помогает размножить даже те растения, культивирование которых другими способами — вегетативно или семенами — сильно затруднено.

Ученые из Массачусетского технологического института из группы Луиса Веласкес-Гарсии (Luis Velasquez-García) предложили применить похожую технику, но для выращивания отдельной растительной ткани, ксилемы (древесины). Они попробовали вырастить ex planta ксилему Циннии изящной (Zinnia elegans) и придать ей нужную форму.

Для начала исследователи провели ряд экспериментов, чтобы подобрать оптимальные условия культивирования. Рост клеток, увеличение их количества и доля трахеид — мертвых клеток древесины с жесткими оболочками — зависит от нескольких базовых параметров: концентрации растительных гормонов в питательном растворе, его кислотности и начальной концентрации клеток.

Среди растительных гормонов две больших группы соединений — ауксины и цитокинины — необходимы для развития проводящей ткани. Например, известно, что повышенная концентрация обоих ведет к формированию одеревеневших трахеид. Однако эффект от вариативного соотношения гормонов в питательной среде прежде не был описан. Авторы показали результат воздействия гормонов в разной концентрации, и пришли к выводу, что низкое содержание этих соединений приводит к увеличению клеток в объеме и их высокой выживаемости, но плохому их росту в длину. В то же время добавление половины миллиграмма на миллилитр альфа-нафтилуксусной кислоты (ауксин) и одного миллиграмма на миллилитр 6-бензиламинопурина (цитокинин) помогает существенно снизить долю живых клеток в ткани. При этом кислотность среды при высоких концентрациях гормонов почти не повлияла на образование жесткой клеточной оболочки. Также ученые отметили, что чем больше была изначальная плотность клеток в растворе, тем лучше клетки увеличивались в объеме и росли в длину.

Определив оптимальные параметры, исследователи перешли непосредственно к выращиванию ксилемы. Ученые вдохновлялись методами культивирования, которые описывал Людвиг Бергман (Ludwig Bergmann) еще в шестидесятых годах прошлого века: он предлагал закреплять отдельные растительные клетки в тонком слое питательного геля, чтобы наблюдать за их развитием и делением. Группа добавила свои наработки к его технике, что позволило использовать питательный гель не только для наблюдения, но и для управляемого культивирования растительного материала.

В целом, процесс выращивания древесины, описанный исследователями состоит из трех стадий. Сначала из молодых листьев растения получают клетки. Затем их переносят в жидкую среду для промежуточного культивирования, и в этой среде их можно хранить до наступления следующего этапа. Чтобы вырастить необходимую конструкцию, суспензию клеток смешивают с термочувствительным гелем в соотношении 1:3 по объему. Питательная смесь застывает при комнатной температуре с равномерно распределенными в ней единичными растительными клетками. Со временем, клетки растут и формируют единую ткань.

Таким образом, исследователи выбирали состав питательного геля и регулировали его форму, чтобы получить растительную ткань с необходимыми характеристиками. Настройке поддались жесткость ткани, форма и размер клеток, а также форма конечного продукта. Ученые отмечают, что дальнейшие исследования других параметров, влияющих на рост тканей, таких как газовый обмен, межклеточная передача биологических сигналов, взаимодействие между загустителем и компонентами питательной среды, повысит возможности производства древесины ex planta. Они надеются, что подобная технология однажды найдет широкое применение.

Ученые также много экспериментируют с возможностями древесины как материала. Например, создают из древесины гибкий светящийся материал, делают ее прозрачной или придают свойство пассивно отводить тепло.

Фото: Ashley L. Beckwith et al. / Journal of Cleaner Production, 2021