Bakteeritehtaita ja pehmorobotteja

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.