Biotekniikka on pitkään ollut lupaava ala, joka voisi ratkaista monia ihmiskunnan haasteita esimerkiksi materiaalien tuotannossa. Keskeinen este on kuitenkin kivinen tie tutkimuslaboratorioista teolliseen tuotantoon. Nyt tätä taivalta vauhdittaa käynnissä oleva kansainvälinen bioverstashanke, jossa VTT:llä on tärkeä rooli.
Lue tiivistelmä
- Tekoälyä hyödynnetään tuotantoprosessien ennustettavuuden parantamiseksi, vaikka haasteena on standardien puuttuminen mikrobikantojen kehittämisessä; tässä VTT tekee poikkitieteellistä yhteistyötä datatieteilijöiden kanssa tietojen keräämiseksi ja analysoimiseksi.
- Biofoundry-konsortio, johon kuuluu VTT ja muita kansainvälisiä organisaatioita, odottaa aloittavansa täysipainoisen toimintansa vuonna 2025, edistäen järjestelmällisten standardien ja toimintaperiaatteiden kehitystä biotuotantoon.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Biotuotannolla voidaan valmistaa eri mikrobien avulla esimerkiksi biomassasta tai hiilidioksidista materiaaleja, kuten biomuoveja, sieninahkaa tai jopa silkkiproteiineja. Sen ansiosta erityisesti fossiilisista raaka-aineista valmistettuja materiaaleja voidaan korvata ympäristöystävällisillä, biopohjaisella materiaalilla.
Yhdysvaltain tiedesäätiö on käynnistänyt Biofoundry eli bioverstashankkeen vauhdittaakseen mikrobeihin perustuvien tuotantoprosessien kehitystä sekä laatiakseen standardeja ja mittareita, joita tarvitaan siirryttäessä laboratoriomittakaavasta teolliseen mittakaavaan. VTT on mukana viisivuotisen hankkeen konsortiossa, johon kuuluu yliopistoja ja tutkimuslaitoksia viidessä eri maassa.
”Yksi keskeisistä tavoitteistamme on nopeuttaa biotekniikan kehitystyötä, koska se vauhdittaisi myös investointeja ja alan innovaatioiden viemistä teolliseen mittakaavaan. Tähän asti hidasteena on ollut erityisesti bioprosessien vaikea ennustettavuus”, kertoo VTT:n biotekniikan tutkimusprofessori Yvonne Nygård.
”Nyt meillä on kerrankin pitkäkestoinen projekti ja monta tutkijaa työskentelemässä tämän parissa”, hän iloitsee.
Lisäksi VTT on mukana Yhdysvaltain tiedesäätiön Global Centers -ohjelman samanaikaisessa FoodID-hankkeessa, jossa tutkitaan ravinnontuotantoa biotekniikan keinoin. VTT:n osalta kahden hankkeen kokonaisbudjetti on lähes 20 miljoonaa euroa.
Tehokas biotekniikan kehitysympäristö mikrobikantojen testaamiseen
Bioverstashankkeessa VTT kehittää, rakentaa ja testaa biotuotannon vaatimia laitteistoja, prosesseja, mikrobikantoja, datan käsittelyä ja mittaustekniikkaa.
”Hankkeen myötä kehitetty asiantuntemus, osaaminen ja infrastruktuuri eivät ainoastaan tue tutkimustyötämme, vaan myös vahvistavat kykyämme vastata monipuolisten teollisten asiakkaiden tarpeisiin”, Nygård kertoo.
Päämääränä on päästä siihen, että tulevaisuudessa biotuotanto toimii kuin mikä tahansa tuotanto. Tyypillisiä mikrobeja ovat esimerkiksi biomolekyylejä tuottavat hiivat tai proteiineja tuottavat homeet.
”Käytännössä haluamme saada niin kutsutun reseptin laboratoriosta tuotantoon nopeammin. Silloin pystyisimme varmemmin sanomaan, että tietty prosessi vie esimerkiksi vuoden sen sijaan, että aikajana olisi täysin epävarma. Tämä mahdollistaisi suunnitelmallisemman tekemisen ja helpottaisi keskustelua muiden toimijoiden kanssa”, Nygård sanoo.
VTT:llä on hankkeen vaatima moderni biotekniikan kehitysympäristö, joka koostuu fyysisistä laitteista, robotiikasta ja automaatiosta. Niiden avulla voidaan tehokkaasti testata mikrobeja ja niiden satoja tai jopa tuhansia eri variantteja.
”Joudumme testaamaan suurta joukkoa eri vaihtoehtoja ja tekemään monta pientä koetta samanaikaisesti. Näin voimme saada selville, mikä mikrobikanta, geeni tai variantti sopisi parhaiten tuotantoon ja käyttäytyy parhaiten kussakin tilanteessa. Kaikki pitää validoida huolellisesti”, Nygård selostaa.
Tekoäly avaa uusia mahdollisuuksia kehitystyölle
Merkittäviä bioverstaan kehityskohteita VTT:llä ovat datan hallinta ja analytiikka. Siksi suuri rooli kehityksessä on data- ja analytiikkatiimillä, johon kuuluu datatieteilijöitä ja bioinformaatikoita. Tiimi tutkii datan keräämistä ja tallennusta sekä sitä, missä muodossa ja miten tietoja voidaan käsitellä tehokkaasti. Poikkitieteellistä yhteistyötä tehdään niiden kanssa, jotka kehittävät solutehtaita, tekevät mikrobikasvatuksia ja operoivat laitteita.
Tekoäly tuo runsaasti uusia mahdollisuuksia. Sen hyödyntämistä vaikeuttaa kuitenkin se, että biotekniikasta uupuvat mikrobikantojen rakentamisen ja datapisteiden keräämisen yhtenäiset standardit.
”Kasvatuskokeissa ei ole ollut yhtenäisiä sääntöjä eikä tärkeää metadataa ole useinkaan kirjattu riittävän yksityiskohtaisesti. Sen sijaan niin sanotun sekvenssidatan kohdalla on käytetty globaalisti samoja standardeja jo kymmeniä vuosia”, Yvonne Nygård kuvailee. Tämä on johtanut siihen, että proteiinien rakenteita voidaan ennustaa tekoälyn avulla, mikä on mullistanut tutkimuksen.
Nygård arvioi, että tekoälyn vaikutuksesta tilanne on muuttumassa. Sen hyödyntäminen edellyttää, että data kerätään tekoälylle sopivassa muodossa.
”Uskon, että saamme luotua standardeja ja integroitua tekoälyn käyttöä. Tekoälyn avulla voidaan parantaa ennustettavuutta sekä analysoida, miten kantoja pitää mitata ja miten ne käyttäytyvät suuremmassa mittakaavassa”, Nygård sanoo.
Koko Biofoundry-konsortio pääsee vauhtiin 2025 aikana
Biofoundry-hankkeen kansainvälinen yhteistyö on juuri alkamassa, ja VTT:llä on suunnitelmia esimerkiksi tutkijavaihdoille eri maiden bioverstaiden välillä. Koko konsortio pääsee vauhtiin vuoden 2025 aikana.
Yhteistyö edistää bioverstaiden järjestelmällistä hyödyntämistä.
”Voimme yhdessä luoda bioverstaiden käyttöön standardit ja yleiset toimintaperiaatteet. Esimerkiksi jos meillä VTT:llä tehdään kantakirjasto, sitten voidaan muualla saada aikaan sama tulos”, Yvonne Nygård sanoo.
