制作一張木桌，絕對過程漫長且價(jià)格不菲。先種出一棵樹、砍伐完成、運(yùn)輸木料、碾磨型材……顯然，這是個(gè)長達(dá)數(shù)十年的過程。為此，Luis Fernando Velásquez-García提出了更簡單的解決方案：既然想要一張桌子，為什么不直接長出一張桌子來？

Velásquez-García的研究團(tuán)隊(duì)提出一種在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中培養(yǎng)某些植物組織（例如木質(zhì)及纖維）的方法。整個(gè)想法仍處于早期階段，其在一定程度上類似于肉類培養(yǎng)，同樣有望簡化生物類材料的生產(chǎn)流程。該小組從百日菊葉子中提取到的細(xì)胞樣品，培養(yǎng)出了木質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，由此證明了這一概念的可行性。

雖然離“直接種出一張桌子”還有很長的路要走，但這項(xiàng)工作已經(jīng)為生物材料的全新生產(chǎn)方法提供了可能的起點(diǎn)，有望減輕林業(yè)與農(nóng)業(yè)承受的環(huán)境負(fù)擔(dān)。Velásquez-García提到，“數(shù)百年來，我們獲取這些材料的方式一直沒有改變，而且效率很低。最終，這將繞過一切低效率的陳舊要素。”

這篇論文發(fā)表在《清潔生產(chǎn)雜志（Journal of Cleaner Production）》上。文章主要作者為機(jī)械工程博士Ashley Beckwith，共同作者包括來自麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家兼聯(lián)合顧問Velásquez-García、以及查爾斯·史塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程師Jeffrey Borenstein。

Bechwith提到，她一直對植物深深著迷，項(xiàng)目的靈感也來自她之前在農(nóng)場度過的時(shí)光。她發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)中存在很多固有的效率低下問題，肥料流失這類問題可以加以解決，但天氣與季節(jié)性因素則完全不受農(nóng)民的控制。另外，生長出的植物實(shí)際上只有一小部分可以作為食品或生產(chǎn)材料。

Beckwith提到，“這不禁讓我陷入了思考：我們能設(shè)計(jì)出自己的流程，讓整個(gè)產(chǎn)出流程變得更有戰(zhàn)略性嗎？我們能不能通過投入獲得更多收益？我想找到一種更高效的土地與資源利用方式，借此讓更多的耕地回歸自然狀態(tài)、或者保持較低的產(chǎn)量，借此提高生物多樣性。”為此，她決定將植物生產(chǎn)引入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

于是，研究人員們開始在沒有土壤或陽光的室內(nèi)環(huán)境下，種植木本植物組織。他們決定從百日菊植物開始，從葉子中提取活體細(xì)胞，通過培養(yǎng)液培植細(xì)胞、引導(dǎo)其完成代謝與增殖。Velásquez-García解釋道，接下來，他們會將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到凝膠中進(jìn)行“調(diào)節(jié)”。“植物細(xì)胞與干細(xì)胞有不少相似之處，即通過引導(dǎo)，它們可以變成任何其他細(xì)胞。”

研究人員使用兩種植物激素（生長素與細(xì)胞分裂素）的混合物，誘使這些細(xì)胞生長出堅(jiān)實(shí)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過改變凝膠中的激素含量，他們成功控制了細(xì)胞木質(zhì)素的產(chǎn)生。木質(zhì)素是一種有機(jī)聚合物，也正是木材維持堅(jiān)硬形態(tài)的關(guān)鍵所在。Beckwith提到，她使用熒光顯微鏡觀察了最終產(chǎn)物的細(xì)胞組成一結(jié)構(gòu)。“我們可以直觀評估哪些細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)化，并測量細(xì)胞的擴(kuò)增與延伸態(tài)勢。”項(xiàng)目證明植物細(xì)胞在受控生產(chǎn)過程中，確實(shí)能夠針對特定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)材料的產(chǎn)出與優(yōu)化。

Velásquez-García認(rèn)為這項(xiàng)工作，實(shí)際上是對實(shí)驗(yàn)室此前進(jìn)行的細(xì)胞級微細(xì)加工與3D打印等增材制造技術(shù)的擴(kuò)展。在此項(xiàng)目中，植物細(xì)胞自身會借助凝膠生長培養(yǎng)基進(jìn)行“打印”。而且與非結(jié)構(gòu)化的液體介質(zhì)不同，凝膠能夠充當(dāng)細(xì)胞生長為特定形狀的“支架”。Velásquez-García指出，“其中的重要意義不僅在于調(diào)整材料的性質(zhì)，同時(shí)也得以從概念上完成形態(tài)引導(dǎo)。”因此，他認(rèn)為終有一天人類可以直接種出一張桌子，由此擺脫切割板材、打膠定型等步驟。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法投入市場。植物生物學(xué)家、博伊斯·湯普森研究院院長David Stern指出，“問題在于，這項(xiàng)技術(shù)能否在經(jīng)濟(jì)或生命周期等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)級別的擴(kuò)展，并帶來強(qiáng)勁的競爭力。”在他看來，擴(kuò)大這種種植方法“需要投入大量的財(cái)力與人才資源”，沒有政府及大型私營企業(yè)的扶持恐怕很難實(shí)現(xiàn)。Stern還強(qiáng)調(diào)，將林業(yè)與農(nóng)業(yè)納入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境本身也需要斟酌。“農(nóng)業(yè)會通過光合作用利用太陽的能量。植物吸收必要的水分之后，會將多余的部分蒸發(fā)出去，以引發(fā)自然降雨。整個(gè)過程自然順暢，不需要任何建筑物、加溫或人造光源。”

研究人員們也承認(rèn)，在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)植物組織還處于早期階段——該小組將不斷調(diào)整控制因素，例如激素水平與凝膠的pH值，借此提高最終產(chǎn)出材料的性能。Velásquez-García表示，“這代表著一個(gè)未知的領(lǐng)域。其中最懸而未決的核心問題在于——我們究竟是怎么實(shí)現(xiàn)植物細(xì)胞的物種轉(zhuǎn)化的？很明顯，我們不可能在所有不同的植物物種上實(shí)現(xiàn)同樣的效果，也許它們各有不同的「控制旋鈕」。”

Beckwith還預(yù)見到大規(guī)模培養(yǎng)植物組織的挑戰(zhàn)所在，例如該怎么促進(jìn)氣體與細(xì)胞間的交換。該團(tuán)隊(duì)希望通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)克服這些障礙，最終建立起在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)木材、纖維乃至更多植物材料的生產(chǎn)藍(lán)圖。

無論如何，此次實(shí)驗(yàn)都代表著一種激進(jìn)而又充滿吸引力的愿景，或者說“新范式”。Borenstein認(rèn)為，“也許我們終將找到微細(xì)加工與增材制造技術(shù)領(lǐng)域的新方向，并利用它們解決農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中那些真正重要的問題。”

這項(xiàng)研究由Draper Fellow項(xiàng)目提供部分資助。