Siirry pääsisältöön
Suomen-edustusto
Uutisartikkeli5. elokuuta 2020Suomen-edustusto

Fotosynteettinen kiinteän tilan solutehdas tuottaa kemikaaleja kestävästi

Osana EU:n tutkimuksen ja innovoinnin Horisontti 2020 -puiteohjelmaa toimiva Euroopan innovaationeuvosto (EIC) tarjoaa keskitetysti innovaatiorahoitusta, jolla jalostetaan tieteen tuloksia uudeksi liiketoiminnaksi ja autetaan innovatiivisia...

FuturoLEAF-hanketta koordinoiva Tekla Tammelin toimii VTT:n biomateriaalirakenteiden tutkimusprofessorina . Hän edistää VTT:n biomateriaalitutkimusta, jossa hyödynnetään erityisesti selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin luontaisia ominaisuuksia ja soluseinän toiminnallisuutta. Biomateriaalit ovat yksi biotalouden tärkeimpiä sovellusalueita. Ne voivat korvata fossiiliperäisiä materiaaleja ja vaikuttaa positiivisella tavalla ilmastonmuutoksen hillintään ja luonnonvarojen kestävään käyttöön.

”FuturoLEAF-hankkeessa tutkimme ja kehitämme fotosynteettisiä solutehtaita, joiden rakenteen suunnittelussa hyödynnämme kasvin lehden rakennetta ja nanoselluloosaa. Hankkeessamme yhdistyy VTT:n ja Aalto-yliopiston biopohjaisten materiaalien osaaminen Turun yliopiston fotosynteesiosaamiseen. Fotosynteettinen solutehdas puolestaan tarkoittaa sitä, että valjastamme fotosynteettisiä mikroleviä tai syanobakteereita tuottamaan kemikaaleja”, Tammelin kertoo.

Fotosynteettisen solutehtaan rakenteen esikuvana on kasvin lehti

Kasvin lehdessä on kerroksellisia rakenteita, joissa fotosynteesi toimii optimaalisesti. Lehden auringon valoa sitovat fotosynteettiset eli yhteyttävät yksiköt ovat tarkasti järjestäytyneet kerroksissa. Fotosynteesissä valon energian avulla hiilidioksidi ja vesi muutetaan sokeriksi ja hapeksi. Lehden rakenteessa on optimoitua se, kuinka paljon auringon valoa sitoutuu lehteen, kuinka tehokkaasti valo muutetaan kemialliseksi energiaksi ja kuinka yhteyttämistuotteet sekä kaasut eli happi ja hiilidioksidi sekä ennen kaikkea vesi pääsevät rakenteessa kulkemaan.

”Olemme inspiroituneet kasvin lehden rakenteesta ja toiminnasta. Nanoselluloosaa, muita polymeerejä ja mielellään vielä biopolymeerejä hyödyntämällä rakennamme kasvin lehden rakennetta imitoivan matriisin, jossa huokoisuus ja läpinäkyvyys on huomioitu siten, että kun yhteyttävät leväsolut integroidaan matriisiin, ne toimivat parhaalla mahdollisella tavalla ja tuottavat niitä kemikaaleja, joita toivomme niiden tuottavan. Kemikaalit tuotetaan siten, että prosessi sitoo hiilidioksidia eli käyttää hiilen lähteenä hiilidioksidia ja energianlähteenä auringonvaloa”, Tammelin kuvaa.

”Mallimme hienous on siinä, että käytämme nanoselluloosaa solutehtaan rakenteen aikaansaamiseksi. Nanoselluloosan ominaisuuksien ansiosta nanoselluloosasta muodostuvaan matriisiin kiinnitettävät yhteyttävät solut pysyvät pidempään hengissä eivätkä pääse jakaantumaan eli energiaa ei kulu biomassan muodostukseen ja solun kemikaalin tuotto pysyy tehokkaana pidemmän aikaa. Nanoselluloosaverkostolla on nimenomaan valoa kuljettavia optisia ominaisuuksia sekä vettä sitovia ominaisuuksia, jotka ovat hyödyksi yhteyttäville soluille. Ei siis ole tuulesta temmattua, että rakennamme matriisin juuri nanoselluloosaa hyödyntäen. Matriisissa päällimmäisenä oleva tiivis ja läpinäkyvä kalvo päästää valon lävitseen sekä estää kosteuden poistumista matriisista, koska elävät solut tarvitsevat myös tietyn määrän vettä”, Tammelin selvittää.

Myös matriisin huokoisuus ja tiiviys noudattelevat kasvin lehden rakennetta. Samaan tapaan kuin kasvin lehdessä, myös matriisissa yhteyttävät mikrolevät on sijoitettu hyvin tarkasti kerroksina tukirakenteeseen. Ne ovat kuitenkin täysin eri asia kuin kasvin lehdessä olevat fotosynteettiset yksiköt.

”Solutehtaissa käytämme fotosynteettisiä mikro-organismeja kuten viherlevää tai syanobakteereita (englanniksi photosynthetic living cells, microalgae and cyanobacteria). Esimerkiksi merellä kesäaikaan toisinaan runsaina lauttoinakin esiintyvät syanobakteerit katsotaan laajasti ottaen kuuluviksi yhteyttäviin mikroleviin. Emme toki kerää levää merestä vaan käytämme kumppaneidemme mikrobikannoista peräisin olevia yhteyttäviä mikroleviä, jotka tuottavat hallitusti esimerkiksi vetyä, kaprolaktonia tai muita kemikaaleja”, Tammelin valottaa.

Tällä hetkellä mikrolevien kemikaalintuotanto ei ole kovin tehokasta. Tavoitteena on rakentaa solutehdas, jossa fotosynteettinen mikrolevä toimisi mahdollisimman tehokkaasti. Tutkimusryhmä uskoo kemikaalin tuottotehokkuuden paranevan huomattavasti, kun imitoidaan kasvin lehden rakennetta.

”Yhteyttävien mikrolevien hienous on siinä, että ne käyttävät auringon energiaa ja hiilen lähteenä hiilidioksidia. Tämän takia voimme väittää, että kemikaalien molekyylien tuottaminen on kestävää. Lisäksi tähän liittyy ajatus siitä, että haluamme vähentää riippuvuutta pelkästään fossiilisten lähteiden käytöstä matkalla kohti kestävämpää kemikaalien tuotantoa. Tämä menetelmä tarjoaa bioteknisen reitin kemikaalien tuotantoon”, Tammelin kuvaa.

Kiinteän tilan solutehdas mahtuu pieneen tilaan

Solutehdaskonsepti on jo olemassa, sillä levät ja fotosynteettiset solut on valjastettu erilaisten kemikaalien tuotantoon teollisen bioteknologian alalla. Tehokkuuden osalta haasteita on vielä paljon. Lisäksi tuotanto vaatii paljon vettä. Monesti kyse on vesisuspensiosysteemeistä. Esimerkiksi Etelä-Euroopassa leväviljelmät voivat olla avoimia, hehtaarien kokoisia altaita, joissa voi olla jopa 3000 m3 vettä. Jalostuneemmissa yksiköissä puhutaan fotobioreaktoreista, jotka nekin vaativat suuren määrän vettä ja pinta-alaa.

”Me taas haluamme toteuttaa kiinteän tilan solutehtaan. Tutkimuksemme tavoite on pystyä valmistamaan edellä kuvatun kaltainen kiinteä ja aktiivinen matriisi, joka auttaa solua toimimaan mahdollisimman tehokkaasti ja pitkään. Uskomme, että nanoselluloosan fibrillirakenne on paras rakennuspalikka tähän matriisiin. Se on luonnostaan yhteensopiva esimerkiksi levien kanssa, sitoo vettä ja tuo huokoisuutta, jolloin hiilidioksidi ja happi voivat helposti siirtyä solujen käytettäväksi.”

”Tärkeää on myös, että solutehtaan tilavuus pienenee moninkertaisesti eli pystymme sijoittamaan samaan tilavuuteen aiempaa huomattavasti enemmän tuottavia soluja, kun meidän ei tarvitse operoida vesisuspensioympäristössä. Pienimmillään solutehdas mahtuu alle litran kokoiseen lasipulloon, kun taas fotobioreaktorit voivat olla tilavuudeltaan kymmenien litrojen systeemejä”, Tammelin summaa.

Tavoitteena tehokas biotekninen menetelmä kemikaalien valmistamiseen

Mitä tällä tuotantomenetelmällä tuotettavat kemikaalit sitten voisivat olla? Valtavirtatutkimuksessa esimerkiksi vetyä, minkä lisäksi FuturoLEAF-hankkeeseen on valittu laaja valikoima esimerkkejä, mitä levät ja syanobakteerit eli yhteyttävät mikro-organismit voivat tuottaa.

”Hankkeessamme on mukana saksalainen yritys, Cyano Biotech , joka hyödyntää syanobakteereja ja yhteyttäviä leviä esimerkiksi syöpälääkemolekyylien tuotantoon. Yrityksen tuottamia kemikaaleja voidaan hyödyntää myös esimerkiksi kosmetiikan, lääkeaineiden, elintarvikkeiden, väriaineiden, hienokemikaalien, maataloudessa käyttävien torjunta-aineiden ja lannoitteiden tuotantoon”, Tammelin kertoo.

Perinteinen kemianteollisuus on tuottanut kemikaaleja synteettisin keinoin. 80 % maailman energia- ja kemianteollisuudesta perustuu perinteisiin kemian reitteihin ja fossiilisiin lähteisiin.

”Bioteknologian reittien osuus on vielä paljon pienempi, mikä johtuu siitä, että ne saattavat olla tehottomia ja jäävät siten jälkeen perinteisen kemian teollisuuden tehokkuudesta. Jos pystymme nostamaan tehokkuutta, ovat biotekniset reitit kilpailukykyisempiä. Niiden etuna on myös ilman hiilidioksidi hiilen lähteenä, mikä taas tarkoittaa sitä, että bioteknistä reittiä voidaan ajatella hiilidioksidia sitovana ja hyödyntävänä reittinä. Emme tuota hiilidioksidia vaan hyödynnämme sitä bioteknisiin prosesseihin”, Tammelin kuvaa.

Toisaalta esimerkiksi syöpälääkkeiden prekursoreiden kaltaiset korkean arvon kemikaalit ovat nykytuotantomenetelmillä kalliita. Cyano Biotechin arvion mukaan syöpälääkkeen prekursorin tuotantohinta on nyt jopa 250 €/kg. Jos kaikki onnistuu hyvin, olisi tällä uudella teknologialla mahdollista laskea tuottohinta jopa 5 €/kg tasolle.

EIC-rahoitus mahdollistaa teknologioiden radikaalin kehittämisen

”Meillä on hyvin radikaaleja visioita siitä, että on mahdollista mullistaa teknologioita. Lisäksi lähestymme aihetta tieteellisen tutkimuksen lähtökohdista. Näistä lähtökohdista ponnistavaan tutkimukseen on erittäin vaikeaa saada rahoitusta. Olen tosi ylpeä tästä projektista ja arvostetun Euroopan innovaationeuvoston (EIC) myöntämästä rahoituksesta , jota on sen tiukkojen myöntämiskriteerien vuoksi hyvin vaikea saada. Uskon, että saamamme rahoitus tuo meille myös kansainvälistä näkyvyyttä ja vie ryhmän tutkimuksen uudelle tasolle”, Tammelin iloitsee.

”Rahoituksen saaminen edellytti myös todisteita aiemmista tutkimusnäytöistä. Olimme jo Turun yliopiston koordinoiman ja Novo Nordisk Fondenin rahoittaman hankkeen avulla luoneet alustavan konseptin, joten meillä oli näyttöä, että nanoselluloosa ja yhteyttävät solut tosiaan kommunikoivat keskenään toivotulla tavalla. Nyt on tarkoituksena todistaa, että nanoselluloosa on parempi kuin olemassa olevat matriisimateriaalivaihtoehdot, joita voitaisiin käyttää. Tähän liittyvä perustutkimuksellinen vertailu on tarkoitus julkaista jo syksyn aikana”, Tammelin kertoo.

VTT koordinoi tutkimuskonsortiota, jossa toimii kaikkiaan 10-15 tutkijaa. Varsinaisesti FuturoLEAF-tutkimushanke käynnistyy 1.9.2020. VTT:llä on materiaaliosaamista kasvimateriaalien kuten ligno- ja nanoselluloosan tutkimuksessa , jota on tehty tiiviissä yhteistyössä Aalto-yliopiston ja professori Eero Kontturin kanssa mm. biotalouden materiaaleihin keskittyvässä FinnCERES-tutkimusohjelmassa.

”Suomi on hyvä paikka aiheen tutkimiseen, sillä Suomessa nanoselluloosan ja sen rakenteiden ymmärrys on maailmanluokkaa. Lisäksi hankkeessa on mukana Turun yliopistossa toimiva, professori Yagut Allahverdiyeva-Rinteen johtama fotosynteettisten mikrobien tutkimusryhmä. Maailman huippua alallaan edustava ryhmä tutkii sitä, miten fotosynteettisessä elektronisiirrossa esiintyvät ”hävikkipisteet” heikentävät tuottavuutta.

Ryhmä tutkii myös pohjoismaisten mikrolevien monimuotoisuutta biopolttoaineiden ja korkean jalostusasteen tuotteiden tuotannon sekä jäteveden käsittelyn sovelluksissa sekä kehittää immobilisointitekniikoita valosta-tuotteeksi -konversion tehostamiseksi. Turun yliopisto koordinoi myös pohjoismaista NordAqua-huippuyksikköä, jonka tavoite on tuoda akateemista leväosaamista lähemmäksi teollisia sovelluksia. Tällaista fotosynteettisten mikrobien ja nanoselluloosan ominaisuuksien osaamisen yhdistelmää ei löydy muualta maailmasta.”, Tammelin hehkuttaa.

FuturoLEAF -hankkeessa ovat mukana myös prof. Robert Kourist Itävallasta (TU Graz) ja prof. Karsten Haupt Ranskasta (CNRS). He vahvistavat konsortiota osaamisellaan sekä solubiologian että materiaalitieteen kentässä.

Tavoitteena on viedä tutkimushanke laboratorio-olosuhteista proof of concept -vaiheeseen. Tammelin uskaltaa jo kolme vuotta kestävän tutkimushankkeen puitteissa luvata, että ryhmä pystyy oikeassa teollisessa ympäristössä esittelemään kiinteän tilan solutehdaskonseptin.

”Uskomme, että teknologia toimii ja että biotekniikka-alan yritykset voisivat laajalti hyödyntää sitä. Esimerkiksi suomalainen sellua hyödyntävä teollisuus voisi tutkimustulosten perusteella löytää aivan uusia käyttökohteita lignoselluloosalle ja kehittää näin uutta liiketoimintaa. Teknologia voisi tarjota esimerkiksi vaihtoehtoisen valmistustavan monille muoveille, joita voitaisiin korvata biomuoveilla.”

Tiedot

Julkaisupäivä
5. elokuuta 2020
Laatija
Suomen-edustusto