ساختمان سازی با باکتری و سلول : داستان‌های تخیلی، واقعی می‌شوند!

ساختمان‌ها تا حدودی شبیه بدن ما هستند؛ استخوان و پوست دارند و نفس می‌کشند. الکتریسیته دارند، انرژی مصرف می‌کنند، دمای متعادلی داشته و مواد زائد تولید می‌کنند. ساختمان‌ها در واقع ارگانیسم‌های غیرزنده هستند. اما چه می‌شد اگر سقف، دیوار و پنجره‌های ساختمان‌ها از موجودات زنده ساخته می‌شد، رشد می‌کرد و خودش را ترمیم می‌نمود؟ تصور کنید مهندسین می‌توانستند نقشه‌های ساختمان را به جای دادن به بنا، مستقیم به دی ان ای (DNA) سلول‌های کوچک منتقل می‌کردند و این سلول‌ها به شکل ساختمان رشد کرده، با ساکنین خود در تعامل بوده و خودشان را با شرایط محیط وفق می‌دادند.در این مقاله از ویکی ساختمون به بررسی تحقیقات جدید صورت گرفته در خصوص ساختمان سازی با باکتری و مصالح زیستی می پردازیم.

مصالح زیستی، ساختمان سازی با باکتری

جالب است بدانید مهندسی زیستی، امروزه توسط دانشمندان رشته‌های مختلف، از داستان‌های علمی تخیلی به آزمایشگاه آورده شده و محققین توانسته‌اند با سلول‌های زنده را به کارخانه‌های مصالح سازی بسیار ریز تبدیل کنند. در دانشگاه کلورادو در قسمت آزمایشگاه مصالح زیستی، متخصصین رشته‌های مختلفی مثل بیوشیمی، میکروبیولوژی، مصالح شناسی و مهندسین معماری با همکاری یکدیگر و با استفاده از ابزارآلات سنتتیک زیست شناختی، از باکتری‌ها برای تولید مواد معدنی مورد نیاز و پلیمر استفاده می‌کنند که بعداً این مواد را به آجر و مصالح ساختمانی تبدیل می‌کنند. بعید نیست روزی ساختمان‌ها را از این مصالح بسازیم و رؤیای ساختمان‌های زیستی به واقعیت تبدیل شود.

در یکی از گزارش‌هایی که در زمینه ساختمان سازی با باکتری و مصالح زیستی ارائه شده، از برنامه ریزی ژنتیکی باکتری ای.کلای (E.coli) برای تولید سنگ آهک در انواع اشکال، اندازه‌ها و با درجات مختلف سختی استفاده شده است. همچنین در گذارشی دیگر در مورد برنامه ریزی ژنتیکی، باکتری ای.کلای برای تولید استایرن استفاده شده که یکی از مواد شیمیایی مورد استفاده برای تولید فوم است.

بیشتر بخوانید: تکنولوژی نوین ساختمانی در سال ۲۰۱۹، ۱۰ مورد از مهم‌ترین‌ها

سلول‌های گیاهی برای خانه‌های دوست دار محیط زیست

در آخرین کارهای انجام گرفته در زمینه مهندسی مصالح زیستی، از سیانوباکترهای فتوسنتز کننده برای تولید مصالح ساختمانی استفاده شد. سیانوباکترها مثل جلبک‌ها سلول‌های سبزرنگی هستند که در محیط به وفور یافت می‌شوند؛ مثلاً اگر آکواریوم دارید، می‌توانید این سلول‌های سبز را روی شیشه آکواریوم مشاهده کنید. سیانوباکتر‌ها به جای تولید کردن کربن دی اکسید (CO₂)، با جذب کربن دی اکسید و نور رشد کرده و در صورتی که شرایط مناسب باشد، یک نوع سیمان زیستی تهیه می‌کنند. می‌توان با استفاده از این سیمان ذرات خاک را به یکدیگر متصل کرده و آجر‌های زیستی ساخت.

اگر بتوان بعد از این فرآیند سیانوباکترها را زنده نگه داشت، می‌توان سرعت کار را چندین برابر کرد بدین صورت که اگر یک آجر را از وسط نصف کنیم، هر کدام از نصفه‌های آجر به یک آجر کامل تبدیل می‌شوند. سپس این دو آجر تبدیل به چهار آجر و چهار آجر به هشت آجر تبدیل می‌شوند؛ یعنی در واقع به جای تولید یک به یک آجرها، می‌توانیم در مدت زمان کوتاهی تعداد بسیار زیادی آجر تولید کنیم که این خود می‌تواند انقلابی در تولید مصالح باشد.

با وجود پیشرفت‌های صورت گرفته، کار‌های انجام شده تنها بخش بسیار ناچیزی از پتانسیل مهندسی مصالح زیستی را نشان می‌دهد. از آنجایی که انواع باکتری مختلف ویژگی‌های متفاوتی دارند، دامنه ساختمان سازی جدید می‌تواند به طرز شوکه کننده‌ای وسیع باشد مثلاً باکتری‌هایی که توانایی ترمیم مصالح آسیب دیده را دارند؛ تصور کنید پس از خراب شدن سقف خانه، باکتری‌ها کم‌کم رشد کرده و سقف خود به خود تعمیر شود یا مثلاً مصالحی که به فشار، رطوبت و حرارت واکنش نشان می‌دهند یا بدون نیاز به برق و الکتریسیته روشن می‌شوند و نور تولید می‌کنند. تمامی این موارد قابل مهندسی و برنامه ریزی کردن هستند که با پیاده کردن این برنامه‌ها روی مصالح زیستی، می‌توانیم انتظار چنین چیزهایی را داشته باشیم.

بیشتر بخوانید: تقویت بتن

جالب‌تر اینکه ساخت خانه‌ها با مصالح زیستی، نسبت به خانه‌های معمولی انرژی به مراتب کمتری نیاز دارد. ساختن خانه با روش‌ها و مصالح امروزی انرژی بسیار زیادی هدر داده و مقادیر زیادی کربن دی اکسید تولید می‌کند. مثلاً برای تولید سیمان باید سنگ آهک سوزانده شود. همچنین تصور کنید پس از استخراج فلزات و خاک، چه مقدار انرژی صرف ذوب کردن آن‌ها برای تولید آهن و شیشه می‌شود. ۱۱ درصد کل کربن دی اکسید تولید شده در سراسر این کره خاکی مربوط به تولید، حمل و نقل، مونتاژ و نصب مصالح ساختمانی است که ۸ درصد این مقدار به صنایع تولید سیمان مربوط می‌شود. این در حالی است که آجرهای ساخته شده با سیانوباکتر کربن دی اکسید را جذب و مصرف می‌کنند.

مصالح زیستی، یک حوزه در حال پیشرفت

امروزه در سراسر جهان محققان در تلاش برای نشان دادن پتانسیل و ظرفیت مصالح زیستی مهندسی شده در تمامی زمینه‌ها هستند؛ از جمله بیوفیلم‌های (زیست لایه رسانای برق، کاتالیست‌های زیستی تک سلولی برای واکنش‌های پلیمریزاسیون و فتوولتائیک‌های زیستی که در پنل‌های خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به برق به کار برده می‌شوند. همچنین امروزه ماسک‌های زیستی تهیه شده که توانایی تشخیص ذرات شیمیایی را داشته و در مقابل آن‌ها واکنش نشان می‌دهد. همچنین محققین در تلاش هستند از یک سلول برنامه ریزی شده، فرآورده‌های حجیم تولید کنند.

بیشتر بخوانید: ساخت سکونتگاه در مریخ

با وجود اینکه اندازه سلول‌ها از یک میکرون (یک هزارم میلی متر) هم کوچک‌تر است اما پیشرفت در زمینه بیوتکنولوژی و چاپ سه بعدی امکان تولید محصولات مورد نیاز انسان را با استفاده از مصالح زیستی فراهم کرده است. مثلاً توانایی تولید مصالح فوم مانند از قارچ میسلیوم یا تولید آجر با استفاده از سیمان زیستی و کاشی‌های سرامیکی توسط میکروارگانیسم‌ها امروزه مقدور شده‌اند. اگرچه بعد از فرآیند تولید، محصول نهایی زنده در نظر گرفته نمی‌شود اما آزمایشگاه دانشگاه صنعتی دلفت موفق شده است با استفاده از چاپگرهای سه بعدی باکتری‌ها را به ساختارهای چند لایه تبدیل کنند که در واکنش به مواد شیمیایی خاص، نور تولید می‌کنند؛ یعنی عملاً سلول‌ها زنده بوده و به این مواد واکنش نشان می‌دهند.

مهندسی مصالح زیستی هنوز در حال طی کردن مراحل اولیه خود است و تحقیقات بیشتری برای گسترش کار و پر کردن فاصله بین تولید در آزمایشگاه و تولید انبوه نیاز است. مشکلات زیادی سر راه این محققین وجود دارد از جمله بحث هزینه، آزمایشات، گواهی نامه و تائید نهایی محصولات. همچنین دیدگاه مصرف کنندگان در مورد محصولات، اثرات بسزایی روی فروش و محبوبیت محصول دارد. از طرفی نیز شرکت‌های تولید کننده مصالح ساختمانی به ارگانیسم‌های زیستی به چشم یک تهدید نگاه می‌کنند و خود صنعت ساخت و ساز هنوز آماده قبول کردن مصالح زیستی نیست. امید است که تصورات اشتباه افراد و صنعت ساخت‌وساز در مورد این شاخه مهندسی با علم و دانش بیشتر در مورد ماهیت کار رفع شود. محققان و دانشمندانی که در این زمینه مشغول به کار هستند باید ایمنی شغلی را رعایت کنند تا از آلوده شدن به ذرات باکتری در زمان کار پیشگیری شود.

موسسه بین المللی علوم اخیراً مهندسی مصالح زیستی و استفاده از انواع باکتری در ساختمان سازی را یکی از مهم‌ترین زمینه‌های پژوهشی اعلام کرده است. بیولوژی سنتتیک و مصالح زیستی مهندسی شده راهکارهایی برای حل معضلاتی بزرگی هستند که انسان از سال ۲۰۲۰ میلادی به بعد با آن‌ها مواجه خواهد بود مثل: تغییرات اقلیمی، گرم شدن کره زمین، بروز بیش از حد بلایای طبیعی، زیرساخت‌های قدیمی مستهلک و اکتشافات فضایی.

اگر بخواهید نگاهی به آینده‌ای نه چندان دور ساختمان سازی با باکتری و سلول داشته باشید، به نظر شما خانه‌ها را چطور خواهیم ساخت؟ با توجه به اطلاعاتی که دانشمندان به دست آورده‌اند، مطمئناً دیگر برای ساخت سیمان آهک را نمی‌سوزانیم و برای تولید شیشه و آهن، سنگ‌ها را ذوب نمی‌کنیم. با توجه به پیشرفت‌هایی که در این زمینه صورت خواهد گرفت، مرز بین دنیای زنده و سازه‌های انسانی بسیار کمرنگ شده و خانه‌های ما بیش از همیشه به طبیعت نزدیک خواهند شد.