چوب درختان مهندسی‌شده ژنتیکی با پتانسیل جایگزینی مواد سنتی ساختمانی مانند فولاد، سیمان و شیشه، در حال انقلاب در صنعت ساخت‌وساز است.
در حالی که چوب مهندسی‌شده به‌دلیل قابلیت ذخیره کربن و مقاومت در برابر تخریب مورد تحسین قرار می‌گیرد، چالش‌هایی نیز دارد، به‌خصوص نیاز به فرآیندهای شیمیایی پرانرژی که ضایعات زیادی تولید می‌کنند.
اما، یک پیشرفت از دانشگاه مریلند همه چیز را تغییر داده است.
این گروه از دانشمندان اخیراً یک رویکرد نوآورانه را ارائه کرده‌اند که با استفاده از مهندسی ژنتیکی، چوب سازه‌ای با عملکرد بالا را بدون نیاز به پردازش پرانرژی یا مواد شیمیایی ناپایدار ایجاد می‌کند.
ژنتیک درخت در مهندسی چوب
در یک پیشرفت قابل توجه برای مواد ساختمانی پایدار، محققان موفق به اصلاح یک ژن در درختان صنوبر زنده شدند که به آن‌ها اجازه می‌دهد چوبی تولید کنند که بدون پردازش آماده استفاده در مهندسی باشد.
ییپینگ چی، استاد دپارتمان علوم گیاهی و معماری منظر دانشگاه مریلند، اظهار داشت: «ما بسیار هیجان‌زده هستیم که رویکردی نوآورانه را نشان دهیم که ترکیبی از مهندسی ژنتیکی و مهندسی چوب است تا به صورت پایدار کربن را در یک فرم چوبی فوق‌العاده و مقاوم ذخیره و نگه‌داری کند.»
چی افزود: «ذخیره کربن در مبارزه ما با تغییرات اقلیمی بسیار مهم است و چنین چوب مهندسی‌شده‌ای ممکن است در آینده در بایواقتصاد کاربردهای زیادی پیدا کند.»
چرا از درختان صنوبر مهندسی‌شده ژنتیکی استفاده کنیم؟
درختان صنوبر به‌عنوان غول‌های سریع‌الرشد، توجه‌ها را در پارک‌ها و جنگل‌ها به خود جلب می‌کنند. این موجودات چشمگیر می‌توانند در یک سال چندین متر رشد کنند و با تنه‌های بلند و مستقیم و برگ‌هایی که با کوچک‌ترین نسیمی به آرامی تکان می‌خورند، شناخته می‌شوند.
گونه‌های متنوعی مانند صنوبر لرزان، سپیدار و صنوبر لمباردی هر یک دارای ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود هستند در حالی که ظاهر متمایز صنوبر را حفظ می‌کنند.
برگ‌های آن‌ها معمولاً به شکل قلبی یا بیضی هستند که در پاییز به رنگ زرد درخشان درمی‌آیند و یک فرش طبیعی خیره‌کننده ایجاد می‌کنند.
فراتر از زیبایی ظاهری، صنوبرها نقش حیاتی در اکوسیستم‌ها ایفا می‌کنند، به پرندگان پناهگاه می‌دهند و برای گوزن‌ها و سایر حیات‌وحش غذا فراهم می‌کنند.
علاوه بر این، انسان‌ها از کارایی آن‌ها به روش‌های مختلف استفاده کرده‌اند. چوب صنوبر در تولید کاغذ تا ساخت مبلمان به کار می‌رود و اغلب به‌عنوان موانع طبیعی موثر در برابر باد کاشته می‌شوند.
یکی از جنبه‌های جالب درختان صنوبر، مقاومت آن‌ها است. پس از آتش‌سوزی‌های جنگلی، آن‌ها توانایی چشمگیری در بازتولید با جوانه‌زنی مجدد از سیستم‌های ریشه‌ای خود نشان می‌دهند.
این پدیده نمونه‌ای از ظرفیت طبیعت برای بازیابی است که احساسات «شما نمی‌توانید یک درخت خوب را شکست دهید» را به تصویر می‌کشد.
مهندسی لینیگین
به طور سنتی، قبل از اینکه چوب بتواند برای خواص ساختاری مانند افزایش استحکام یا مقاومت در برابر UV تصفیه شود، باید از یک جزء اصلی به نام لینیگین خلاص شود.
این کار معمولاً از طریق درمان‌های شیمیایی انجام می‌شود که نه تنها ضایعات تولید می‌کنند، بلکه به مصرف انرژی قابل توجهی نیز متکی هستند.
در این مطالعه، تیم تحقیقاتی با استفاده از «ویرایش پایه» یک ژن کلیدی به نام 4CL1 را حذف کرد که منجر به تولید درختان صنوبر با 12.8% محتوای لینیگین کمتر نسبت به درختان صنوبر وحشی شد.
این کاهش قابل توجه در محتوای لینیگین با درمان‌های شیمیایی استاندارد برای محصولات چوب مهندسی‌شده برابری می‌کند.
پایداری چوب مهندسی‌شده ژنتیکی
درختان صنوبر اصلاح‌شده تیم تحقیقاتی به مدت نزدیک به شش ماه در کنار درختان کنترل نشده در یک گلخانه رشد کردند.
به طور جالبی، آن‌ها هیچ تفاوت قابل توجهی در نرخ رشد یا ساختار بین درختان اصلاح‌شده و اصلاح‌نشده مشاهده نکردند.
با استفاده از درختان صنوبر اصلاح‌شده ژنتیکی، تیم نمونه‌های کوچکی از چوب فشرده با استحکام بالا تولید کرد – ماده‌ای مشابه تخته‌خرده‌چوب که اغلب در مبلمان استفاده می‌شود.
این ماده با خیساندن چوب در آب تحت خلاء و سپس پرس گرم تا زمانی که به نزدیک 1/5 ضخامت اصلی خود برسد، تولید می‌شود و چگالی الیاف افزایش می‌یابد.
آنچه تیم تحقیقاتی آموخت
برای ارزیابی موفقیت خود، محققان صنوبر اصلاح‌شده ژنتیکی را با صنوبر طبیعی، نمونه‌های تصفیه‌نشده و نمونه‌های تصفیه‌شده با فرآیندهای شیمیایی سنتی برای کاهش محتوای لینیگین مقایسه کردند.
نتایج امیدوارکننده بود. ماده اصلاح‌شده در مقایسه با چوب طبیعی تصفیه‌شده شیمیایی عملکرد مشابهی داشت و هر دو نسخه متراکم‌تر و بیش از 1.5 برابر قوی‌تر از چوب طبیعی تصفیه‌نشده بودند.
ماده اصلاح‌شده ژنتیکی استحکام کششی قابل مقایسه با آلیاژ آلومینیوم 6061 و چوب تصفیه‌شده شیمیایی را نشان داد.
این تحقیق نوآورانه مسیر امیدوارکننده‌ای برای تولید مجموعه‌ای از محصولات ساختمانی به‌صورت مقرون‌به‌صرفه و از نظر زیست‌محیطی پایدار فراهم می‌کند.
با پتانسیل کاهش قابل توجه انتشار کربن و کاهش وابستگی به روش‌های پردازش پرانرژی، چوب مهندسی‌شده ژنتیکی می‌تواند بازیگر بعدی مهم در مبارزه ما با تغییرات اقلیمی باشد.
آینده چوب مهندسی‌شده ژنتیکی
با حرکت به سمت آینده‌ای پایدارتر، استفاده از چوب مهندسی‌شده ژنتیکی می‌تواند صنعت ساخت‌وساز را متحول کند.
فراتر از کاربردهای ساختاری، این فناوری ممکن است راه را برای توسعه‌های جدید در طراحی مبلمان، مواد بسته‌بندی و حتی محصولات کامپوزیت هموار کند.
تحقیقات مداوم بر روی بهینه‌سازی خواص این چوب مهندسی‌شده، از جمله دوام و مقاومت آن در برابر آفات و عوامل محیطی متمرکز خواهد بود.
با افزایش آگاهی از مسائل اقلیمی، پذیرش نوآوری‌هایی مانند این می‌تواند به رویکردی پایدارتر برای ساخت‌وساز منجر شود و در نهایت به ما کمک کند تا با حفظ کیفیت مواد مورد نیاز، اثرات زیست‌محیطی خود را کاهش دهیم.
آینده ساخت‌وساز ممکن است در ترکیب طبیعت و فناوری نهفته باشد، با چوب مهندسی‌شده ژنتیکی که پیشتاز این تحول است.
مطالعه کامل در مجله Matter منتشر شد.
