Uutiset

Bakteeritehtaita ja pehmorobotteja

Räätälöidyt molekyylit ja materiaalit voivat mullistaa kemianteollisuuden, liikuttaa kangasta ja tehdä aurinkopaneeleista ekologisempia.
Jan Deska, Jaana Vapaavuori, kuva: Jaakko Kahilaniemi
Jan Deska työskenteli ennen Aaltoa professorina RWTH Aachenin ja Kölnin yliopistoissa Saksassa. Jaana Vapaavuori teki tutkimusta Montrealin yliopistossa Kanadassa – ja haaveili nuorempana tanssijan urasta.

Professori Jan Deskallaja apulaisprofessori Jaana Vapaavuorellaon yhteinen innoittaja: luonto, jolla on kyky rakentaa yksinkertaisista aineksista melkein mitä tahansa.

Jan Deskan ala on orgaanisten molekyylien valmistaminen. Maapallolla tunnetaan yli 50 miljoonaa kemiallista yhdistettä. Niistä 95 prosenttia on orgaanisia eli yhden tai useamman hiiliatomin ja niihin sitoutuneiden muiden alkuaineiden muodostamia molekyylejä. Tieteenalana orgaaninen kemia on kaksisataavuotias, ja siihen perustuva teollisuus tuottaa muoveja, maaleja, lääkkeitä ja polttoaineita – eli pyörii öljyn varassa.

Tulevaisuuden tehtaat voivat kuitenkin olla aivan toisenlaisia.

Sokerin voimalla

Luonnon prosessia, jossa yksinkertaisista lähtöaineista syntyy uusia yhdisteitä, kutsutaan biosynteesiksi. Sen työmyyriä ovat entsyymit, jotka liimaavat pienempiä molekyylejä suuremmiksi kokonaisuuksiksi.

”Meidän tavoitteemme on hyödyntää biosynteesiä kemikaalien valmistuksessa”, Deska kertoo. Sitä varten tarvitaan aivan uudenlaisia entsyymejä, joita ei löydy luonnosta. Niitä Deska räätälöi Euroopan tutkimusneuvoston ERC:n rahoittamassa viisivuotisessa hankkeessa. Entsyymien avulla hän haluaa suostutella luonnon omat tuotantolaitokset, kuten bakteerit, suorittamaan biosynteesissä kemiallisia reaktioita, joita ei löydy luonnosta.

Ihminen on osannut käyttää erilaisia mikro-organismeja jo pitkään esimerkiksi käymisreaktioissa, joissa saadaan vaikka jugurttia, etikkaa tai alkoholia. Deska kollegoineen uskoo, että sopivilla entsyymeillä mahdollisuudet ovat melkein rajattomat.

”Luonto osaa valmistaa hyvin monimutkaisia yhdisteitä, esimerkiksi erilaisia myrkkyjä. Jos prosessiin vaihdetaan räätälöimämme keinotekoinen entsyymi, tuloksena voi olla jotain hyödyllisempää, kuten lääkkeitä. Yhdellä entsyymillä se tuskin vielä onnistuu, ja siksi tavoitteenamme on luoda räätälöityä biosynteesiä varten kokonainen työkalupakki.”

Bakteerien vahvuus on niiden vaatimattomuus. Suurin osa kemianteollisuuden prosesseista käyttää ympäristön kannalta ongelmallisia tai riittämättömiä raaka-aineita. Bakteeritehdas voisi pyöriä ihannetapauksessa pelkän sokerin voimalla.

”Kysymys on siitä, miten saamme tarvitsemamme kemikaalit valmistettua rajallisilla luonnonvaroilla”, Deska sanoo.

Ryppyjä ja liikettä

Jaana Vapaavuori räätälöi entsyymien sijaan erityisesti valoon reagoivia orgaanisia materiaaleja.

Vuonna 2019 Vapaavuori sai yhdessä akatemiatutkija Kati Miettusen kanssa rahoituksen Substainable-hankkeelle. Sen tavoite on parantaa aurinkopaneelien kestävyyttä ja tehoa uusilla lignoselluloosasta eli kasvien biomassasta valmistettavilla komposiittimateriaaleilla. Ne ovat nykyisiä sähköä johtavia laseja ekologisempia – ja niihin voi räätälöidä uusia ominaisuuksia.

”Me olemme esimerkiksi lisänneet aurinkopaneeliin kerroksen, joka imee ne UV-valon säteet, jotka eivät muutu sähköksi ja jotka muuten haurastuttaisivat paneelia tai sen yksittäisiä komponentteja ja lyhentäisivät sen käyttöikää”, Vapaavuori sanoo.

Hän korostaa, ettei kestävä kehitys ole aina yksiselitteistä.

”Puhutaanko valmistuksesta, käytöstä vai koko elinkaaresta? Monista uusiutuvan energian laitteista saatava hyöty ei kata edes niiden valmistuksen energiaa ja päästöjä, jolloin nettovaikutus voi olla jopa negatiivinen.”

Yksi ratkaisu voi löytyä uusista ja paremmista materiaaleista.

Eniten Vapaavuorta kiehtoo kuitenkin fysiikan ja kemian perusilmiöiden ymmärtäminen: tutkimusaiheet, joiden sovelluskohteet ovat vielä tuntemattomia. Hän on tehnyt ryhmänsä kanssa esimerkiksi pallomaisia rakenteita, misellejä. Sinisen UV-valon alla ne päästävät ympärillään olevat pienemmät molekyylit sisään ja näkyvällä valolla ulos – ne ikään kuin hengittävät sisään ja ulos valo-ohjauksella.

Ryhmä on tutkinut myös, miten materiaalin rypistymistä ja liikettä voidaan ohjata siihen kiinnitettävien valoon reagoivien molekyylien avulla.

”Tämä on perustutkimusta, jolle ei aina ole valmiita sovelluksia. Mutta olen tosi kiinnostunut tekemään yhteistyötä ihmisten kanssa, joilla on soveltamiseen intoa ja ideoita”, Vapaavuori sanoo.

Professori Jan Deska nojailemassa seinään vieressään Jaana Vapaavuori käsilläseisonnassa.

Scifiä lavalle

Aalto-yliopistossa sopiva yhteistyökumppani voi löytyä naapurirakennuksesta.

Jaana Vapaavuori aloitti hiljattain pehmeän robotiikan projektin yhdessä muotoilun laitoksen tekstiiliosaajien kanssa. Tutkijat kiinnittävät kudottavaan kankaaseen ensin valo-ohjattavia keinotekoisia lihaksia, minkä jälkeen kankaaseen voidaan suunnitella erilaisia toimintoja. Kangas voisi esimerkiksi suojata kehoa tai kotia auringolta muodostamalla heijastavuutta lisääviä kuvioita.

Tanssijan uraakin suunnitellut Vapaavuori tunnustaa syttyvänsä silti eniten siitä, mitä kaikkea teknologialla voisi tehdä näyttämöllä.

”Se scifimpi puoli on sydäntäni lähellä. Tanssijan puvussa voisi olla esimerkiksi liikkuvia ulokkeita tai se voisi vaihtaa väriä tai muotoa liikkeen mukana – maltan tuskin odottaa!”

Monialainen tutkimus ei onnistu ilman monen alan osaajia. Jan Deskan tutkimusryhmässä tarvitaan kemian lisäksi esimerkiksi biotieteiden asiantuntemusta; Vapaavuoren kanssa työskentelee kemian ja fysiikan osaajien ohella esimerkiksi optiikan tuntijoita.

Jos kaikki menee nappiin, mitä he voivat tällä vuosikymmenellä saavuttaa?

Jan Deska toivoo pyörittävänsä laboratoriossaan sokeria syöviä solutehtaita, joissa syntyy satoja tai tuhansia erilaisia molekyylejä. Vapaavuori haluaa inspiroida ja rohkaista nuoria tutkijoita rikkomaan stereotypioita siitä, millaisia tutkijoiden kuuluu olla.

”Tiedemaailma kaipaa lisää monimuotoisuutta. Professorina olen vasta urani alkutaipaleella, ja haluan ennen kaikkea löytää oman paikkani ja ymmärtää asioita vielä syvemmin; yltää laboratoriossa lähemmäs sitä monimutkaisuutta, jota luonnolla on tarjota.”

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 26, huhtikuussa 2020.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

A boy jumping on a mixed reality trampoline in Superpark
Aalto Magazine Julkaistu:

Liikkeelle kuin leikkien - digitaaliset pelit motivoivat liikkumaan

Trampoliinit ja kiipeilyseinät voivat koukuttaa käyttäjänsä uudella tavalla, kun niihin yhdistetään digitaalisia kikkoja.
Mustavalkoisessa arkistokuvassa Teuvo Kohonen istuu vanhanaikaisen tietokoneen äärellä.
Aalto Magazine Julkaistu:

Tekoälyn suomalainen pioneeri teki tiedettä unissaankin

Teuvo Kohonen loi 1980-luvulla tekoälytutkimuksen tärkeän merkkipaalun: itseorganisoituvan kartan.
Suureen kaarevaan telineeseen on kiinnitetty kamera, jossa on pitkä objektiivi. Se on kohdistettu keskellä olevaan tasoon, jossa on keltainen keraaminen esine. Pöytätason vieressä on suuri valaisin ja valkokangas sen edessä. Pöydän takana punaiseen t-paitaan pukeutunut henkilö säätää laitteistoa.
Aalto Magazine Julkaistu:

Valokuvausrobotti nostaa arkistokappaleet uuteen ulottuvuuteen

Miten siirtää keraaminen esine kolmiulotteisesti tietokoneen näytölle? Kuvaamalla se yltympäriinsä 360 asteen kulmassa ja digitoimalla muodot talteen. Työ onnistuu valokuvausrobotilla, joka raksuttaa Aalto-yliopiston uudessa Space 21 -tilassa.
Jussi Impiön valokuvaan on liitetty piirrokuvitettu elementti: hänen käsiensä välissä on korkea pinkka papereita.
Aalto Magazine Julkaistu:

Oho: Olipas haluttu pesti!

Jussi Impiö aloitti kesällä 2021 Aalto-yliopiston kestävän kehityksen toimintojen johdossa. Mutta vuonna 2009 hän setvi työmarkkinoita Afrikassa.