Svenska forskare vill få växtceller att bygga nya material som kan bli starka, flexibla och i vissa fall fortsätta växa. Det femåriga projektet SynPlant har fått 26 miljoner kronor och pekar ut byggande, textilier och medicin som möjliga framtida användningsområden. Men vägen från levande celler i laboratoriet till ett kommersiellt byggmaterial är fortfarande lång.

Materialet ska byggas från cellnivå

När trä används som byggmaterial odlas först ett helt träd. Det fälls, sågas och bearbetas innan virket kan användas.

Forskarna bakom SynPlant vill undersöka om det går att börja mycket tidigare i kedjan. I stället för att först odla en hel växt ska växtceller odlas och styras så att de själva bildar material med önskade egenskaper.

Projektet leds av Eleni Stavrinidou vid Linköpings universitet och samlar forskare från Linköpings universitet, KTH och Umeå universitet. Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse finansierar projektet med 26 miljoner kronor under fem år.

Enligt Linköpings universitet är målet att utveckla programmerbara växtbaserade material genom att påverka både cellernas egenskaper och hur de organiserar sig tillsammans.

Det betyder inte att forskarna redan kan odla färdiga väggskivor eller balkar. Projektet ska först ta reda på hur långt principen går att utveckla.

Växtens cellvägg är själva utgångspunkten

Växtceller är intressanta eftersom de redan kan bygga avancerade strukturer omkring sig.

Cellväggen innehåller bland annat cellulosa, hemicellulosa och pektin. Kombinationen påverkar hur stark, styv eller töjbar vävnaden blir. I vissa typer av växtceller tillkommer exempelvis lignin, som gör strukturen betydligt styvare.

Det är sådana biologiska byggprocesser forskarna vill kunna styra mer direkt.

Tanken är bland annat att påverka vilka ämnen cellerna producerar, hur mycket som produceras och hur cellerna fäster vid varandra. Forskarna vill också undersöka syntetiska genetiska system och kemiska kopplingar som kan ge materialet egenskaper som inte uppstår på samma sätt naturligt.

På ett förenklat plan handlar projektet alltså om att försöka ge cellerna instruktioner för vilket material de ska bygga.

Fotosyntesen kan bli en del av materialets funktion

En ovanlig egenskap hos växtceller är att de kan fotosyntetisera.

Det innebär att levande celler kan använda ljus och koldioxid i sin ämnesomsättning. SynPlant ska därför även undersöka hur mycket ett framtida material skulle kunna växa genom att ta upp koldioxid.

Det öppnar för betydligt mer avancerade idéer än vanliga biobaserade material. Ett framtida material skulle i teorin kunna fortsätta förändras eller växa efter att den ursprungliga strukturen har skapats.

Men det är just en forskningsfråga.

Det finns ännu inget underlag för att slå fast att ett sådant material skulle vara klimatpositivt eller ge lägre total klimatpåverkan än etablerade alternativ. Även ett biologiskt material kräver odling, energi, näring, processutrustning och senare hantering.

Hela livscykeln måste därför räknas innan några sådana slutsatser kan dras.

Växtceller används redan industriellt

Att odla växtceller är i sig ingen ny teknik.

Växtcellskulturer används redan inom bland annat läkemedelsproduktion. Ett känt exempel är framställning av ämnen kopplade till cancerläkemedlet paclitaxel, där växtceller kan odlas i bioreaktorer i stället för att ämnet enbart utvinns från hela växter.

Skillnaden är vad cellerna används till.

I sådan produktion fungerar cellerna främst som biologiska fabriker som tillverkar en viss molekyl. SynPlant vill i stället undersöka om cellerna kan bli en del av själva slutmaterialet eller bygga den struktur som ska användas.

Det är ett betydligt större steg när slutprodukten ska tåla mekanisk belastning och tillverkas i stora mängder.

Träliknande material har redan odlats i laboratorier

SynPlant börjar inte heller från ett helt tomt forskningsfält.

Forskargrupper i andra länder har redan visat att odlade växtceller kan användas för att skapa sammanhängande biologiska material. Forskare vid MIT har exempelvis odlat växtvävnad i laboratoriemiljö och kunnat påverka bland annat mängden lignin.

Andra forskare har utvecklat kompositmaterial direkt från växtcellskulturer och uppmätt mekaniska egenskaper som i vissa fall närmar sig etablerade polymermaterial.

Även 3D-printning med växtceller och hydrogeler har testats.

Det visar att grundprincipen fungerar i forskningsmiljö: växtceller kan odlas, placeras i strukturer och påverka materialets egenskaper.

Det är däremot något helt annat än att producera tonvis med standardiserat byggmaterial till ett konkurrenskraftigt pris.

Från laboratorium till byggmaterial är ett stort steg

För byggbranschen räcker det inte att ett nytt material känns starkt när det lämnar laboratoriet.

En byggprodukt måste klara mycket mer.

Den kan behöva behålla sin styrka under årtionden, tåla fukt och temperaturskillnader och uppfylla krav på exempelvis brand, hållfasthet och beständighet. Egenskaperna måste dessutom vara tillräckligt jämna från en produktionsomgång till nästa.

Skalningen blir en annan utmaning.

Det är en sak att odla gram eller mindre provbitar av ett material under kontrollerade förhållanden. Att tillverka kubikmeter till byggindustrin kräver stora odlingssystem, billiga råvaror och en process som fungerar utan att kvaliteten varierar för mycket.

Om levande celler fortfarande ska finnas kvar i slutmaterialet uppstår dessutom ytterligare frågor om bland annat vatten, näring, lagring och kontroll av tillväxten.

Samma teknik kan behöva fungera helt olika i textilier och medicin

Byggmaterial är bara ett av de områden som forskarna pekar ut.

Textilier ställer andra krav. Ett material för kläder måste exempelvis kunna böjas upprepade gånger, tåla nötning och sannolikt klara tvätt utan att förlora sin form eller funktion.

Medicinska användningsområden har ytterligare krav. Där kan biokompatibilitet, sterilitet och mycket exakt kontroll över materialets sammansättning bli avgörande.

Det gör att SynPlant snarare bör ses som en teknisk plattform än som utvecklingen av en enda produkt.

Om forskarna lyckas kontrollera hur cellerna bygger sina strukturer kan samma grundprincip i teorin användas för material med mycket olika egenskaper.

Det här finns redan – och det här återstår

Skillnaden är viktig. Det finns redan forskning som visar att växtceller kan användas på nya sätt, men det finns ännu inga SynPlant-baserade byggskivor, kläder eller medicinska produkter på marknaden.

Sverige satsar samtidigt på att ta ny materialteknik vidare

Projektet kommer i ett läge där både materialteknik och bioteknik pekas ut som områden med stor industriell potential.

Hurbra har tidigare skrivit om hur Vinnova vill se större svenska satsningar på bland annat material och bioteknik. För forskning som SynPlant blir steget från vetenskapligt genombrott till stabil och billig produktion minst lika viktigt som själva laboratorieresultaten.

Under de kommande fem åren är den första frågan betydligt mer grundläggande: hur mycket går det egentligen att styra levande växtceller så att de tillsammans bygger ett material med egenskaper som går att använda i praktiken?