Építészet és biodesign VIII.: Élő építkezés – Érzékeny, érzékelő, reagáló anyagok

A biodesign építészeti vonatkozásait bemutató cikksuruzatunk mai részében Blaumann Edit két olyan kutatási projektet mutat be, amelyek célja olyan technológiák kifejlesztése, melyek a biológiai folyamatok anyagátalakító képességeit kihasználva a hulladékot vagy alacsony értékű anyagokat magas értékű, hasznos anyagokká képesek alakítani.

Egy korábbi cikkemben már említettem, hogy az angliai Hub for Biotechnology in the Built Environment (HBBE) kutatásainak egyik fókusza az Élő Építkezés/Építmények (Living Constructions), ami lényegében a molekuláris, illetve a szintetikus biológia segítségével létrehozott új biológiai rendszerek, illetve a hagyományos építési és gyártási folyamatok kombinációja. A HBBE célja, hogy létrehozzon egy olyan bioanyag könyv- vagy recepttárat, mely mikróbák segítségével előállított érzékeny, érzékelő, reagáló anyagokat, megoldásokat foglal magába, a biomineralizációtól a cellulózon és más polimereken át egyéb érzékeny anyagokig. Olyan tervezési módszereket és eljárásokat dolgoznak ki, melyek figyelembe veszik a biológiai rendszerek komplexitását, illetve a biológiai folyamatok anyagátalakító képességeit kihasználva a hulladékot vagy alacsony értékű anyagokat magas értékű, hasznos anyagokká képesek alakítani.

Két kiemelkedő kutatási projektjük, a Thinking Soils (Gondolkodó Talaj), illetve a Fiber Highways (Rost Pályák) az emberi tevékenység okozta környezeti terhelés csökkentésére irányul. A Thinking Soil tulajdonképpen egy szintetikus biológiai rendszer, melyben genetikailag módosított baktériumok észlelik a talajban lévő megnövekedett nyomást, illetve arra reagálva egy új biológiai anyagot hoznak létre, mely összeköti a szemcséket, ami így ellenáll a terhelésnek – úgy is mondhatjuk, hogy bebetonozza a talajrészecskéket. Az így létrejövő szerkezetben a szemcsék csak ott cementálódnak, ahol az anyagra ható erők megkövetelik, hasonlóan például a csontok növekedéséhez. A kutatásuk az in silico – számítástechnikai – és az in vivo – élő – technológiák kombinációja. Kísérleteik során a mikrobákat hidrogél oldatba áztatták, ami a talajt hivatott utánozni. Később nagy nyomásnak tették ki őket, hogy megfigyeljék, mely gének aktivitása nő meg. Az aktivitásért felelős DNS-t úgy módosították, hogy a baktériumokat nyomás hatására "biocement" előállítására késztessék.

A laboratóriumi kutatások kiegészítéseként egy számítógépes programot fejlesztettek, mely a természetes erők, például a víznyomás mérésére és a baktériumok reakciójának előre jelzésére szolgál. Kísérleteikből kiderült, hogy akár egy kétkomponensű rendszert is alkalmazhatnak, ahol az egyik baktérium típus érzékeli a talaj nyomásváltozást, majd jelez a másik anyagszintetizáló baktériumnak, hogy megkezdheti munkáját. Egy ilyen rendszer lehetővé teheti, hogy terhelésre adott válaszként a talaj ellenállóképességét javító, önépítő alapozás jöjjön létre a talajba juttatott, mesterségesen előállított baktériumok segítségével. Ez a megoldás csökkentheti a nagyszabású földmunkák szükségességét, rengeteg beton és acél felhasználást, megmentheti az erodálódó talajokat a földcsuszamlástól, illetve az önszerveződő és érzékeny bioalapú anyagok új generációjának nyithat teret.

Az Angela Sherry és Jane Scott által vezetett Fiber Highways nevű interdiszciplináris kutatási projekt azt vizsgálja, hogy hogyan teremthető a kötött szövetanyagok és a mikroorganizmusok között szimbiózis, illetve hogyan lehet ezekből érzékelő, környezetre reagáló, élő textíliákat létrehozni, s az olajszennyezés kezelésére használni. 

Annak ellenére, hogy az 1970-es évek óta a fokozott szabályozásnak és a környezetvédelmi törvények betartatásának köszönhetően évtizedes csökkenés tapasztalható az olajszennyezések számában, továbbra is különleges veszélyt jelent az ökoszisztémákra világszerte, mely katasztrofális következményekkel jár a tengeri élőhelyekre és az egyedülálló part menti környezetre nézve. Az olaj a szárazföldi rendszereket is szennyezi, beszivárog a talajba és ott károsítja azokat. Az olajszennyezés helyreállítása költséges és időigényes, gyakran vegyi anyagok használatával történik. A tudósok azonban a partvidéken olyan őshonos mikrobákat azonosítottak, melyek még a vegyi helyreállítás megkezdése előtt lebontják az olajat. A baktériumok mellett a gombák micéliuma is aktív szénhidrogén mentesítőként működik, sőt a kísérletekben használt Pleurotus ostreatus, a késői laskagomba a szennyezett talajban lévő petrolkémiai anyagokból származó tápanyagokon élősködik. Azaz enzimjeik segítségével mind a baktériumok, mind a gombák képesek lebontani a mérgező összetevőket.

A Fiber Highways csapata által kifejlesztett textil ökoszisztéma a kötést a koncepcionális gondolkodás eszközeként, mikrobiális élőhelyként és szállító rendszerként, illetve a kármentesítés aktív szereplőjeként használja. A szövetet magát interfészként alkalmazzák, kiválasztják a megfelelő textil alapanyagokat és kötött  struktúrákat, melyek legjobban képesek támogatni a mikrobiális közösségeket. A kutatás növesztési kísérletek, vizualizációs technológia, DNS-szekvenálás és bioinformatika kombinációja. A baktériumok gomba-útvonalakon való mozgását vizsgáló tanulmányokat továbbfejlesztve a kutatók arra keresik a választ, hogy a baktériumok képesek-e a textilszálak pályáin megtapadni, közlekedni, illetve hogyan reagálnak az egyes szálfajtákra, a természetestől a szintetikusig. Mikro szinten túl, makroszinten olyan programozott kötés segítségével létrehozott textilekkel kísérleteznek, melyek képesek reagálni a folyadék sebességére, sűrűségére, és ennek megfelelő alakváltoztatásra. Végeredményképpen a kötött szövettechnológia, az építészet és a biológia határterületén mozogva olyan textil-mikroba hibrideket terveznek, melyek a bioremediációt szolgáló, fenntartható, funkcionális mikrobaközösségekkel népesíthetik be a környezetet.

Blaumann Edit
MOME Doktori Iskola Hallgatója és Innovációs Központ Kutatója

Szerk.: Hulesch Máté