Proteiineista materiaaliloikka – luonnosta inspiraatiota muovin korvaajaksi

Blogit
Pezhman Mohammadi

Ei ole liioiteltua sanoa, että proteiineihin perustuvissa materiaaleissa piilee varsinainen runsaudensarvi. Luonnosta löytyy huipputehokkaita biopohjaisia rakennemateriaaleja, jotka tarjoavat ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja synteettisille materiaaleille. Proteiinipohjaisista materiaaleista ei syyttä puhuta ylivoimaisina, poikkeuksellisina ja huipputehokkaina, sillä niiden suorituskyky lyö laudalta useimmat ihmisten valmistamat vastineet. Kysymys kuuluukin, että voitaisiinko tällaisia materiaaleja käyttää tulevaisuudessa arkihyödykkeiden valmistamiseen tai huipputeknisiin tarkoituksiin? Pystyttäisiinkö synteettisistä muoveista luopumaan täysin vielä jonain päivänä?

Nykyajan materiaalinkäytön pakottava ongelma

Raakaöljystä valmistettavat polymeeriset materiaalit mullistivat ihmisten elämän 1900-luvulla. Ne ovat vallanneet nykyaikaisen yhteiskunnan ja teknologioiden joka kolkan, sillä niitä käytetään lukemattomissa arjen hyödykkeissä. Tällaisista materiaaleista on valtavasti hyötyä, mutta toisaalta niiden valmistus ja hävittäminen on saanut aikaan laajoja ekokatastrofeja. Näin on muodostunut pakottava tarve kehittää kestävämpiä ratkaisuja, joilla voitaisiin lieventää haittavaikutuksia ja saada aikaan mullistava siirtymä.

Mullistava ratkaisu

Luonnosta löytyy valtavasti esimerkkejä siitä, miten biopolymeerejä syntetisoidaan monimutkaisin keinoin elävissä soluissa. Ihmisillä on paljon opittavaa näistä materiaaleista. Luonnolliset biopolymeerit, eli proteiinit, valmistuvat luonnon rakennuspalikoista. Niiden jalostamisen olosuhteet eivät vahingoita ympäristöä eikä niiden hajoamisesta ole haittaa, sillä luonto on evoluution myötä sopeutunut pilkkomaan ne alkutekijöihinsä. Biologiset materiaalit toimittavat usein myös montaa eri virkaa. Esimerkiksi simpukoiden kudoksesta löytyvä yksittäinen kuitu on sekä jäykkä että joustava ja sisältää useita kiinnityskykyisiä proteiineja, joilla simpukka pystyy kiinnittymään tehokkaasti veden alla sekä muodostamaan itselleen kovan valkuaiskuoren.

Viime vuosikymmenten aikana näistä biomateriaaleista on paljastunut molekyylitason malleja, joiden pohjalta voitaisiin luoda aivan uudenlaisia biopolymeerejä. Yhdistelemällä modulaarisesti erilaisten mallijärjestelmien osia pystyttäisiin toteuttamaan uudenlaisia mekaanisia ja fysikaaliskemiallisia ominaisuuksia. Näin voitaisiin valmistaa ennennäkemättömiä monikäyttöisiä materiaaleja – ainakin periaatetasolla.

Mitä työkaluja tarvitaan proteiinipohjaisten materiaalien tuottamiseen?

Bioteknologian ja synteettisen biologian alalla monien proteiinipohjaisten materiaalien valmistus näyttää mahdollistuvan uusien startup-yritysten myötä. Bioteknologia ja geenitekniikka ovat korvaamattoman arvokkaita työkaluja, kun luonnonmateriaalien ominaisuuksia yritetään matkia synteettisesti; niiden avulla biopolymeerejä voitaisiin valmistaa yhden molekyylin tarkkuudella.

Menneen vuosikymmenen aikana alan merkittävämmät edistysaskeleet ovat näkyneet geenisynteesin hinnassa ja nopeudessa. Myös esimerkiksi laboratorioautomaation integrointi ja yksivaiheiset täsmäkloonausmenetelmät ovat vieneet alaa eteenpäin. Kun tällaisiin menetelmiin yhdistetään huomattavan suuri määrä erilaisia ilmentämis- eli ekspressioisäntiä, ortogonaalisten geenien onnistunut ilmentäminen on ennennäkemättömän todennäköistä. Kaiken kaikkiaan tämä tarkoittaa sitä, että uusien proteiinipohjaisten materiaalien tuotantoa voidaan jouduttaa synteettisen biologian ja teollisen bioteknologian avulla.

researcher holding a nanocellulose implant

Tulevaisuuden haasteet

Vastassa on vielä monta haastetta ennen kuin keinotekoisilla proteiinipohjaisilla materiaaleilla voidaan toteuttaa kuvattuja mallisysteemejä niin, että niitä voidaan hyödyntää arkielämässä. Hankaluuksia aiheutuu muun muassa geenien kompleksisuudesta, sekvenssien pituudesta, muuntotehokkuudesta, kloonausekspressiovektoreiden vakaudesta sekä kloonausekspressioisännästä. Hankalien proteiinien ilmentämisen avuksi voidaan käyttää ekspressioisännän aineenvaihdunnan muokkausta synteettisen biologian työkaluilla, jotka auttavat parantamaan tuottotasoa ja tavoiteltujen proteiinien laatua. Tämä menetelmä on nyt entistä lupaavampi, sillä lähes kaikkien ekspressioisäntien ja niiden alavarianttien perimä on selvitetty kokonaisuudessaan. Lisäksi tarjolla on CRISPR/Cas9:n kaltaista huippuluokan geenimuunteluteknologiaa sekä laajempimittaista ja ohjelmoitavaa kromosomifuusioteknologiaa, joka voidaan kohdistaa tuhansiin geeneihin yhtäaikaisesti.

Tällaisilla mahdollistavilla teknologioilla, esimerkiksi huippuluokan geenimuuntelulla, olisi mahdollista luoda täysin uudenlaisia synteettisiä isäntiä, jotka voitaisiin ohjelmoida ja varta vasten suunnitella tuottamaan haluttuja proteiineja. Nykyiset mikrobikäymisprosessit lähinnä muuntavat helposti saatavilla olevaa hiiltä – esimerkiksi kasvipohjaisia sokereita ja tärkkelyksiä – kemikaaleiksi, polttoaineiksi ja biopolymeereiksi. Yksi vaihtoehtoinen ratkaisu on hyödyntää halvan hiilidioksidin biologista muuntamista arvokkaiksi kemikaaleiksi ja energiaksi. Synteettisen biologian viimeisimmät edistysaskeleet ennakoivat uusia työkaluja, joilla voitaisiin kehittää näiden materiaalien ominaisuuksia ja keinotekoista tuotantoa.

Biopolymeerien seuraava sukupolvi

Tulevaisuudessa tämän alan tutkimus edellyttää täysin uusien ja uudenlaisten mikrobivarianttien kehittämistä ja hyödyntämistä. Niiden avulla voidaan tuottaa kompleksisia biopolymeerejä, jotka yhdistetään täysin tai osittain automaattisiin korkeatuottoisiin teknologiajärjestelmiin. Tämä mahdollistaa prosessien optimoinnin, kehittyneen materiaalituotannon sekä karakterisoinnin. Lisäksi koneoppimisen ja edistyneen konemallintamisen nopea kehitys tuo mukanaan mielenkiintoisia mahdollisuuksia. Ne saattavat tarjota perustan laajakantaisille tietopohjaisille kyselyille, ja niistä saatetaan saada kehitettyä proteiinipolymeerien suunnitteluun ja valmistamiseen tarkoitettuja työkaluja, jolla voitaisiin esimerkiksi tehostaa mikrobien aineenvaihduntaa tuotannon optimoinnissa ja lopputuotteen suunnittelussa.

Syvenny aiheeseen

VTT:n erikoistutkija Pezhman Mohammadi ja hänen kollegansa Singaporen Nanyang Technological University -yliopistosta sekä Institute for Digital Molecular Analytics and Science -instituutista julkaisivat kattavan katsauksen tämän blogin aihealueesta Chemical Reviews'ssa.

Tutustu artikkeliin: Protein-Based Biological Materials: Molecular Design and Artificial Production

Jaa
Pezhman Mohammadi
Pezhman Mohammadi

Tiesitkö, että voimme käyttää eläviä soluja tarvitsemiemme kemikaalien, materiaalien ja ruoan tuottamiseen? Voimme saada esimerkiksi mikrobisolut valmistamaan silkkitoukan silkkiä, kananmunan valkuaista tai biohajoavaa biomuovia.