První "strom na čipu" se podařilo vyrobit inženýrům z Massachusettského technologického institutu. Malé zařízení je analogem stejných procesů, díky kterým ve stromech cirkulují živiny - díky tomu umí "strom na čipu" pasivně přečerpávat vodu po celé dny. Krom studia rostlinných procesů by vynález mohl sloužit i jako zdroj energie.
"Smyslem této práce je levná komplexnost, jakou pozorujeme v přírodě," říká o objevu profesorka Anette Hosoi z MIT, spoluautorka studie. Všechny stromy totiž přečerpáváním vody z kořenů až po koruny fungují jako přirozené hydraulické pumpy. Voda jako míza stoupá vlivem povrchového napětí nahoru a poté opět stéká dolů, přenášejíc cukry a živiny.
Za tento transport jsou u rostlin zodpovědné dva typy vodivého pletiva jménem floém a xylém, u nás také známé jako lýko a dřevo. Zatímco tok xylému přenáší tekutiny jedním směrem od kořenů vzhůru, tok floému je všesměrný a rozvádí zejména sacharidy syntetizované fotosyntézou. Čím více cukru je přitom ve floému, tím více tekutin do floému přivádí xylém prostřednictvím osmózy ve snaze vybalancovat poměr obou látek.
Tento systém v přírodě funguje po celé věky a desítky let je jeho princip znám i lidem. Krom nenáročné elegance pasivního transportu je z pohledu inženýrů rovněž relativně jednoduché do "systému" rostlin přidat další "komponenty" jako list, kořen anebo větev.
Oproti tomu v mikrorobotice jsou dnes podobné mechanismy extrémně komplikované a ruku v ruce s tím rovněž extrémně drahé. Pokud by se však podařilo zreplikovat postupy přírody, náročnost i cena by mohly klesnout.
Hledá se třetí prvek
Právě proto je vynález týmu MIT významný. Vědcům se totiž podařilo vyvinout mikrokapalinové zařízení přečerpávající vodu stejným pasivním principem jako stromy. Jejich "strom na čipu" (z anglického "tree-on-a-chip") může stabilně operovat po celé dny.
Nejde o první experiment snažící se o vytvoření podobného umělého analogu přečerpávání rostlin - dřívější pokusy však obvykle přestaly fungovat po několika málo minutách. Vědcům totiž chybělo detailnější pochopení fungování přírodního protipólu.
"Jednoduchý model xylému a floému je znám po desetiletí," popisuje Hosoiová. "Z kvalitativního úhlu pohledu dává smysl. Ale když si vše spočítáte, dojde vám, že model neumožňuje konstantní tok vody." V přírodě přesto výměna zjevně funguje - problém tak očividně byl v našich modelech, nikoli v myšlence jako takové. Inženýři proto krom floému a xylému potřebovali najít třetí prvek, který by nedokonalé modely dokončil.
Nový zdroj energie
Řešení tohoto rébusu nakonec po zevrubném studiu fungování stromů napadlo vedoucího studie a studenta profesorky Hosoiové, Jeana Comteta - třetím klíčovým prvkem se totiž ukázaly být samotné listy. Právě ty skrze fotosynzétu produkují dodatečné cukry, které ve starších modelech chyběly pro zvýšení příjmu vody získávané z xylému. Comtetův model se pro své vysvětlení stabilní cirkulace mohl stát základem technického řešení.
Výsledek práce vědců, tedy "strom na čipu", vypadá jako dvojice plastových destiček, do nichž experti vyvrtali drážky představující xylém a floém. První z nich naplnili vodou, druhou vodou s cukrem, obě přitom oddělili polopropustnou membránou. Nakonec přidali na destičku reprezentující floém ještě jednu membránu a dodatečný zdroj cukru reprezentující listy. Výsledný dlouhodobě pumpující systém tak byl doslova poháněn cukrem.
Studie vznikala původně ve snaze vyvinout jednoduchý a efektivní zdroj energie, který by bylo možné vbudovat do miniaturních robotů budoucnosti. Hosoiová sama nadhodila možnost stavět systémy, jehož pohyby bude pohánět variace stromů na čipu, tedy vlastně jenom voda a cukr. Do daných zařízení bude stále nutno pravidelně vkládat sacharidy – tedy alespoň dokud nevypilujeme umělou fotosyntézu.
Budoucnost na čipu
Umělá fotosyntéza v posledních letech však také směřuje vstříc možné praktické aplikaci. Studie profesora Daniela Nocera z Harvardovy univerzity naposledy loni ukázala úspěšný vývoj zařízení vytvářejícího palivo jenom ze slunečního svitu, oxidu uhličitého a vody stejně jako fotosyntéza přírodní.
Nejde o první výzkum podobného druhu, významné však je, že Nocerova umělá fotosyntéza operuje zhruba s desetkrát vyšší efektivitou než fotosyntéza u rostlin. Hypotetické budoucí stroje využívající stromu na čipu tak mohou energii získávat doslova ze vzduchu.
Výzkum stromu na čipu rovněž připomíná rychlý průlom i v jiných čipových odvětvích. Poprvé se tento nápad objevil teprve na přelomu tohoto desetiletí, původním smyslem této myšlenky přitom bylo vytvářet mikrokapalinové analogy lidských orgánů - pokud by dané systémy byly vytvořeny z živých buněk, ale zároveň co do funkcí akurátně simulovaly rozložení a funkce skutečných orgánů, mohly by orgány na čipu přinést jak šanci na studium tělesných pochodů, tak i možnost testovat léčiva bez nutnosti laboratorních zvířat.
Odtud pramení stále využívaný název "orgán na čipu" – ačkoliv možné aplikace již překonaly čisté simulování orgánů samotných.
Ačkoliv mají orgány na čipu pro medicínské využití stále co dohánět, vznikla už celá řada variací jako srdce na čipu, plíce na čipu, dále pak ledviny, kosti nebo i tepny. Nápady jako ten z MIT přitom ukazují, že idea čipových analogů přírodních procesů může sahat dalece za čistě medicínské využití – pokud se technologie v praxi osvědčí, její plný potenciál si dnes teprve uvědomujeme.
