دانشمندان دانشگاه مک‌مستر در طراحی مواد سازگار با محیط‌زیست با استفاده از قارچ‌ها به نتایج قابل‌توجهی دست یافته‌اند. به‌ویژه، قارچ رایج شکاف‌کپک (Schizophyllum commune) با بیش از ۲۳٬۰۰۰ نوع جفت‌گیری مختلف، به‌عنوان گنجینه‌ای ژنتیکی برای نوآوری در طراحی مواد شناخته می‌شود.
ساختار میسلیوم: جایگزینی برای پلاستیک و چرم
این قارچ‌ها میسلیوم تولید می‌کنند؛ شبکه‌ای متراکم از رشته‌های فیبری. این ساختار پس از پردازش می‌تواند به‌عنوان جایگزینی تجزیه‌پذیر برای پلاستیک، چرم و فوم‌ها مورد استفاده قرار گیرد. اما حتی اگر همه نمونه‌ها به‌صورت یکسان رشد داده شوند، خصوصیات مواد تولیدی ممکن است متفاوت باشد؛ از جمله استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر آب.
بررسی علمی گونه‌های مختلف قارچ
بررسی ۱۶ گونه برای تحلیل ویژگی‌های مواد
برای یافتن علل این تفاوت‌ها، پژوهشگران ۱۶ گونه قارچ – شامل ۴ مونوکاریون و ۱۲ نوادۀ دیکاریتی آن‌ها – را مورد بررسی قرار دادند. این گونه‌ها با دقت پرورش یافته، سپس از نظر میزان تولید ماده و کیفیت آن مورد آزمایش قرار گرفتند.
تحقیقات نشان داد که DNA هسته‌ای و میتوکندریایی هر دو در ویژگی‌های فیلم‌های حاصل تأثیرگذارند.
فرآیند تولید فیلم‌های قارچی
استفاده از تخمیر مایع و پیونددهنده‌های شیمیایی
محققان از روش تخمیر سطحی در حالت مایع برای پرورش لایه‌های میسلیوم طی ۱۲ روز استفاده کردند. سپس دو ماده شیمیایی پیونددهنده به کار رفت: پلی‌اتیلن گلایکول (PEG) و گلیسرول. این مواد باعث تبدیل توده‌های پفی‌شکل به فیلم‌های جامد شدند.
به گفته پروفسور جیانپینگ شو، زیست‌شناس دانشگاه مک‌مستر:
«می‌توان از تنوع ژنتیکی طبیعی موجود در طبیعت بهره برد و ترکیب‌هایی ساخت که به انواع مختلفی از مواد، نه فقط یک نوع، قابل تطبیق باشند.»
تفاوت ویژگی‌های فیلم‌ها بسته به مواد و ژنتیک
تأثیر PEG و گلیسرول بر ویژگی فیلم‌ها
هر فیلم تولیدشده ویژگی‌های خاص خود را داشت.
- گلیسرول فیلم‌هایی نرم و قابل‌انعطاف ایجاد کرد.
- PEG فیلم‌هایی سخت‌تر و مستحکم‌تر اما شکننده‌تر به وجود آورد.
برای مثال، گونه αδ که با PEG پردازش شده بود، انعطاف‌پذیری بیش از ۴۱٪ نشان داد، در حالی که گونه‌های دیگر خیلی زود دچار شکستگی شدند.
نقش ترکیب ژنتیکی و ماده پیونددهنده
تحلیل آماری نشان داد که ژنوتیپ‌های میتوکندریایی و هسته‌ای به‌صورت پیچیده‌ای با پیونددهنده‌ها تعامل دارند. برخی ترکیب‌ها آب را بهتر جذب می‌کردند، برخی دیگر استحکام یا کشسانی بالاتری داشتند. هیچ گونه یا ترکیب خاصی از همه نظر برتر نبود.
مشاهدات میکروسکوپی و آزمون‌های عملکردی
ساختار فیبری و مقاومت فیلم‌ها
فیلم‌های پردازش‌شده با PEG بافت‌های هیف هوایی بیشتری حفظ کردند و سطحی زبر داشتند.
فیلم‌های گلیسرولی صاف و ژلاتینی بودند. این زبری سطح می‌تواند بر محل و نوع شکستگی فیلم تأثیر بگذارد.
آزمون‌های کشش و رفتار در برابر آب
در آزمون مقاومت کششی:
- فیلم‌های PEG تنش بیشتری را تحمل کردند اما انعطاف نداشتند.
- فیلم‌های گلیسرولی تا قبل از شکست، بیشتر کش آمدند.
- برخی ترکیب‌های خانوادۀ γ مانند βγ و βδ انرژی زیادی جذب کردند.
رفتار با آب
- فیلم‌های PEG خاصیت سوپر ویکینگ داشتند و به‌سرعت آب جذب می‌کردند.
- فیلم‌های گلیسرولی زاویۀ تماس ۷۷ درجه‌ای با آب داشتند که جذب رطوبت پیش‌بینی‌پذیری ایجاد می‌کند و برای بسته‌بندی و پوشیدنی‌ها مناسب است.
کاربردهای زیست‌محیطی و صنعتی مواد قارچی
استفاده از فرآیندهای زیستی به‌جای مهندسی مصنوعی
این پژوهش تنها یک تمرین آزمایشگاهی نیست، بلکه راهبردی واقعی برای تولید مواد سازگار با محیط‌زیست با استفاده از منابع طبیعی است. به‌جای مهندسی تمامی ویژگی‌ها از ابتدا، می‌توان از تنوع ژنتیکی موجود در طبیعت برای ترکیب ویژگی‌ها بهره برد.
مقیاس‌پذیری و روش‌های تکمیلی
تاکید بر قابلیت گسترش‌پذیری نیز از مزایای این رویکرد است. تخمیر سطحی در حالت مایع آسان‌تر از روش‌های قدیمی بازتولید و گسترش می‌یابد. پژوهشگران پیشنهاد می‌دهند که با همجوشی پروتوپلاست یا جفت‌گیری انتخابی، دامنه مواد ممکن را گسترش دهند.
انتخاب پیونددهنده: سفتی در برابر انعطاف‌پذیری
- PEG استحکام را افزایش می‌دهد اما انعطاف‌پذیری را کاهش می‌دهد.
- گلیسرول انعطاف را حفظ می‌کند اما از استحکام می‌کاهد.
در آینده، بسته به نیاز صنایع مختلف – مانند نساجی، ساخت‌وساز یا بسته‌بندی‌های تجزیه‌پذیر – می‌توان فرآیند را شخصی‌سازی کرد.
محدودیت‌ها و افق‌های آینده
چالش‌های فنی و زمینه‌سازی برای پیشرفت
برخی محدودیت‌های مطالعه عبارتند از:
- فیلم‌های کنترل (بدون پردازش) از هم پاشیدند و قابل آزمون نبودند.
- بررسی تمامی ترکیب‌های ژنتیکی ممکن نیز امکان‌پذیر نبود، که فرصتی برای تحقیقات آینده ایجاد می‌کند.
استانداردسازی در انتخاب گونه‌ها و پیوند دادن ویژگی‌های ژنتیکی با خصوصیات مواد همچنان چالش‌برانگیز است. اما این پژوهش پایه‌ای محکم برای پیشرفت‌های آتی فراهم می‌کند.
نگاه جدید به طراحی مواد پایدار
این کار اثبات می‌کند که ویژگی‌های مواد را می‌توان نه‌تنها با پردازش و شیمی، بلکه با انتخاب ژن‌های خاص قارچ نیز شکل داد. این رویکرد می‌تواند نگاه ما را به طراحی مواد پایدار دگرگون کند. به‌جای تحمیل نیازهای خود به طبیعت، اکنون می‌توانیم در گنجینه ژنتیکی طبیعت به‌دنبال راه‌حل باشیم.
تنوع عظیم قارچ شکاف‌کپک: گنجینه‌ای برای آینده
قارچ شکاف‌کپک با تنوع بالای خود، منبعی غنی برای کاوش‌های علمی است.
پیام این پژوهش ساده است: طبیعت پیشاپیش دستورالعمل‌ها را ارائه داده است.
این تحقیق در مجله Journal of Bioresources and Bioproducts منتشر شده است.
