Turun yliopiston tutkijoiden kehittämä järjestelmä valjastaa yhteyttävät mikro-organismit valmistamaan yhtä maailman tärkeimmistä teollisuuden raaka-aineista. Laboratoriossa saavutettu tulos voi avata uuden tien kemikaalien valmistukseen tavalla, joka poikkeaa perusteellisesti nykyisestä tuotannosta.
Turun yliopiston tutkijat ovat onnistuneet pitämään syanobakteereihin perustuvan kemikaalien tuotantojärjestelmän toiminnassa yli neljän kuukauden ajan.
Kyseessä ei ole vain pitkä laboratoriokoe. Tutkijoiden tavoitteena on kehittää järjestelmä, jossa elävät, yhteyttävät mikro-organismit toimivat pitkäikäisinä biokatalyytteinä eli eräänlaisina elävinä kemikaalitehtaina.
Tilaa Posi TV lahjaksi – tuellasi riippumaton suomalainen uutisointi jatkuu myös tulevaisuudessa.
Tuoreessa tutkimuksessa niiden valmistama aine oli etyleeni – yksi kemianteollisuuden keskeisimmistä raaka-aineista, jota käytetään esimerkiksi muovien valmistuksessa.
Turun yliopisto kertoo, että uuden järjestelmän etyleenintuotanto nousi parhaimmillaan noin kaksinkertaiseksi verrattuna vastaaviin nestemäisiin suspensiokasvatuksiin.
Syanobakteerit sidottiin erittäin ohuisiin kalvoihin
Perinteisesti fotosynteettisiä mikro-organismeja kasvatetaan suurissa nestemäärissä. Siinä on ongelmansa.
Solut tarvitsevat valoa yhteyttämiseen, mutta tiheässä nesteviljelmässä pinnan lähellä olevat solut varjostavat alempana olevia. Järjestelmiä täytyy myös sekoittaa, mikä kasvattaa veden ja energian tarvetta.
Turun yliopiston vanhemman erikoistutkijan Sergey Kosourovin mukaan juuri itsevarjostus on yksi suspensiokasvatusten keskeisistä ongelmista.
Tutkimusryhmä lähestyi ongelmaa aivan toisesta suunnasta.
Sen sijaan, että syanobakteerit olisivat kelluneet suuressa nestemäärässä, tutkijat sitoivat geneettisesti muokatut mikro-organismit ohuisiin nanoselluloosapohjaisiin kalvoihin.
Näin syntyi biohybridi järjestelmä: elävät solut hoitavat yhteyttämisen ja kemikaalin tuotannon, kun taas niitä ympäröivä materiaali pitää solut kosteina, tukee niiden toimintakykyä ja auttaa valoa pääsemään tehokkaammin soluille.
Sitten tutkijat katsoivat, kuinka kauan ”tehdas” jaksaisi toimia
Fotosynteettisessä biotuotannossa huomio kohdistuu usein siihen, kuinka paljon haluttua ainetta pystytään tuottamaan mahdollisimman nopeasti.
Teollisessa käytössä vähintään yhtä ratkaisevaa on se, kuinka pitkään järjestelmä kykenee ylläpitämään tuotantoa yhtäjaksoisesti.
Tutkimuksessa etyleeniä tuottavat syanobakteerit sijoitettiin jatkuvatoimiseen biofilmireaktoriin. Nanoselluloosakalvot pidettiin kosteina ja samalla yhteydessä reaktorin kaasutilaan, josta muodostuva etyleeni voitiin kerätä talteen.
Tuloksena biofilmit pysyivät tuottavina yli neljä kuukautta.
Vertailussa kiinteään kalvorakenteeseen sidotut solut tuottivat parhaimmillaan jopa noin kaksinkertaisen etyleenimäärän jatkuvatoimiseen suspensiokasvatukseen verrattuna. Tutkimuksessa myös vertailuna käytetty suspensiokasvatus onnistui jatkamaan etyleenin tuotantoa neljän kuukauden ajan.
Tutkimus julkaistiin Trends in Biotechnology -tiedelehdessä.
Miksi juuri etyleeni on kiinnostava?
Etyleenillä on valtava merkitys kemianteollisuudelle.
Siitä valmistetaan muun muassa polyeteeniä ja muita kemikaaleja, joista syntyy edelleen lukemattomia jokapäiväisessä elämässä käytettäviä tuotteita.
Tutkimuksessa kokeiltu lähestymistapa perustuu aivan toisenlaiseen ajatukseen kuin fossiilisiin raaka-aineisiin perustuva perinteinen kemianteollisuus.
Fotosynteettiset mikro-organismit keräävät valon energiaa ja sitovat hiiltä, joka voidaan niiden aineenvaihdunnan avulla ohjata haluttujen yhdisteiden tuotantoon. Turun yliopiston mukaan tavoitteena on kehittää menetelmää uusiutuvien kemikaalien ja polttoaineiden tuotantoon.
Vähemmän energiaa solujen kasvuun, enemmän itse tuotteeseen
Fotosynteettisessä tuotannossa mikro-organismien voimakas kasvu ei välttämättä ole tavoiteltavaa. Jos merkittävä osa solujen sitomasta hiilestä ja energiasta kuluu uuden biomassan muodostamiseen, sitä jää vähemmän varsinaisen lopputuotteen valmistukseen.
Tilaa Posi TV lahjaksi – tuellasi riippumaton suomalainen uutisointi jatkuu myös tulevaisuudessa.
Turun yliopiston professori Yagut Allahverdiyeva-Rinteen mukaan solujen kiinnittäminen kalvomatriisiin hillitsee solujen jakautumista ja biomassan liiallista kertymistä.
Tavoitteena on näin ohjata suurempi osa yhteyttämisessä talteen otetusta hiilestä ja energiasta itse tuotantoprosessiin sen sijaan, että se kuluisi uusien solujen kasvattamiseen.
Teolliseen tuotantoon on vielä matkaa
Lupaavista tuloksista huolimatta menetelmä on vielä laboratoriovaiheessa, eikä sen toimivuutta suuressa mittakaavassa ole osoitettu.
Seuraava suuri haaste onkin selvittää, voidaanko laboratoriossa toimiva järjestelmä skaalata joskus teolliseen tuotantoon ilman, että sen tehokkuus ja toimintavarmuus kärsivät.
