Hyppää pääsisältöön

Kalmarin nokka, simpukan helmiäinen, silkkikuitu – luonnon fiksut biomateriaalit mallina

Tutkija Suvi Arola selluloosakuitua käsittelevän laitteen edessä.
Tutkija Suvi Arola selluloosakuitua käsittelevän laitteen edessä Tutkija Suvi Arola selluloosakuitua käsittelevän laitteen edessä. Kuva: Teija Peltoniemi biomateriaali,biomateriaalit,biomateriaalitekniikka,Biomateriaalitekniikka,biotekniikka,biotekniikka,kalmari,Kalmarit,simpukka,simpukka,suvi arola,teija peltoniemi,tiedeykkönen

Luonto tarjoaa paljon opittavaa ja jäljiteltävää tutkimukselle ihmisen koettaessa tuottaa kovia ja sitkeitä materiaaleja. Luonnon materiaalit ovat yhdistelmiä muutamista eri molekyylirakenteista, jotka usein ovat yksikseen hauraita mutta yhdessä ne tuottavat kovan rakennelman. Tällainen on kalmarin nokka, joka koostuu selluloosan kaltaisesta kitiinistä. Sillä se rikkoo ravun kovan kuoren. Nyt tutkijat pyrkivät synteettisen biologian keinoin saamaan aikaan laboratoriossa biohajoavia luonnosta mallia ottavia biomateriaaleja.

”Hämmästelen luonnon kykyä rakentaa materiaaleja, sanoo tutkija Suvi Arola. Kalmarin nokan sanotaan olevan vahvin ja sitkein materiaali, joka koostuu pelkästään orgaanisista yhdisteistä. Ihmisen valmistamien materiaalien ja luonnon biomateriaalien välillä on merkittävä ero. Luonnossa materiaalit rakentuvat alhaalta ylöspäin. Kun taas ihminen valitsee ensiksi materiaalin, suunnittelee osan tarkan designin mukaan, mutta luonto tekeekin toisinpäin. Ensiksi kasvatetaan materiaali ja koko organismi rakentuu siitä ylöspäin. Tätä toimintatapaa kutsutaan biologisesti kontrolloiduksi itsejärjestäytyvyydeksi.

Tekniikan tohtori Suvi Arola kuvaa ilmiötä hierarkiseksi itsejärjestäymiseksi, ja käyttää esimerkikkinä gekon tarttumisjalkaa. Kun gekon jalkaa tarkastellaan erilaisissa kokoluokissa silmin nähtävistä osista pienimpiin aina molekyylitasolle saakka, niin jokaiselta tasolta löytyy omanlainen rakenne. Tämä moninkertaistaa gekon jalan kiinnittymiskohtien pinta-alan. Tätä kaikkea ihminen yrittää opetella, mutta se on vaikeaa.

Hiiva tuottaa PLA-biomuovin lähtöainetta

Hiilihydraatit ja proteiinit ovat luonnon biomateriaalien rakennusosia, ja jotta ihminen voisi tehdä laboratoriossa vaikkapa hämähäkin seittiä, pitää ensiksi osata tuottaa juuri oikeaa proteiinia. Tämä tehdään bioreaktoreissa mikrobeilla, eli esimerkiksi hiiva tai home saadaan valjastettua bioteknologian keinoin tekemään haluttua ainetta. Tästä on VTT:n teollisen bioteknologian yksikössä vahva osaaminen jo yli 20 vuoden ajalta. Sen tuntee hyvin tutkimusprofessori Merja Penttilä. Hänen mielestään nyt pitäisi tutkimusosaamista hyödyntää laajasti ja ymmärtää, että biotekniikan avulla voidaan tuottaa paljon muutakin kuin biopolttoaineita.

Bioekonomia on yksi Suomen kärkialueita. Kaikki biomassa, metsä, jätteet, nehän ovat solujen tuottamaa, kasvisolujen tekemää. Tämä luonnon synteesivoima pitää hyödyntää.― tutkimusprofessori Merja Penttilä

VTT:n biotekniikan osaaminen sai aikaan yhteistyön amerikkalaisten kanssa, ja lopputuloksena syntyi PLA-biomuovia. Nyt työn alla on uuden biohajoavan muovin tutkimus. Sen lähtömateriaali on glykolihappo. VTT:n polymeerikemistit ovat osoittaneet, kuinka siitä saadaan aikaiseksi biomuovi, ja ensimmäisiä kokeiluja pakkausmateriaaliksi on tehty. Merja Penttilän mukaan tuotto-organismin kehityksessä on vielä tekemistä, jotta lähtömateriaalia glykolihappoa saadaan tuotettua riittävän tehokkaasti.

Tutkimusprofessori Merja Penttilä istuu huonekasvin edessä.
Tutkimusprofessori Merja Penttilä. Tutkimusprofessori Merja Penttilä istuu huonekasvin edessä. Kuva: Teija Peltoniemi biomuovi,biotekniikka,merja penttilä,teija peltoniemi,tiedeykkönen

Synteettisen biologian avulla tutkimuksesta suunnitteluprojekteihin

Synteettinen biologia perustuu molekyylibiologian ja geenitekniikan tutkimukseen. Monen organismin koko perimä, genomi, on selvitetty, ja DNA-alueet tiedetään hyvin. Tätä tietoa on tallennettu erilaisiin tietokantoihin ja tutkijat jakavat sitä keskenään. Näitä perimän paloja voi tarkastella erilaisissa tietokannoissa ja suunnitella, mitä tuotto-organismilla haluaa tehdä. Ensimmäiset suunnitelmat tehdään usein tietokoneella matemaattisten mallien avulla. Tutkijat vertaavatkin synteettistä biologiaa siirtymisenä lukemisesta kirjoittamiseen. Nyt voidaan suunnitella, mistä kirja kertoo eli mitä halutaan vaikkapa hiivan tuottavan.

Markus Linder pitää kädessään molekyylimallia.
Professori Markus Linder pitää kädessään molekyylimallia. Markus Linder pitää kädessään molekyylimallia. Kuva: Teija Peltoniemi biomateriaali,biomateriaalit,markus linder,teija peltoniemi,tiedeykkönen,Tiedeykkönen

Aalto-yliopiston Biomolekyylimateriaalien ryhmässä tutkitaan biomateriaaleja synteettisen biologian keinoin. Professori Markus Linder kertoo, kuinka biologisen systeemin tutkimus lähtee aina alusta lähtien, osaset pitää miettiä aina uudestaan. Toiminta ei ole ennustettavaa ja se etenee yrityksen ja erehdyksen kautta. Mutta nyt synteettisen biologian ”biopalikat” tarjoavat tähän apua. Ne ovat yleensä testattuja, standardoituja, tiedetään, missä ympäristössä ne toimivat ja miten. Tämä nopeuttaa tutkimusta, sanoo Markus Linder.

DNA-molekyylejä voi tilata netistä. Yksi geeni maksaa noin sata euroa. Se ei ole kovin paljon, kun ihmisen perimän emäsjärjestyksen selvittäminen maksoi miljardeja.― professori Markus Linder

Maailma pelastuu?

Tutkija Suvi Arolan näkemyksen mukaan maapallon sietokyky on koetuksella, ja meidän pitää löytää öljyperäisten kemikaalien ja materiaalien tilalle biohajoavia tuotteita.

”Meremme ovat hukkumassa muoviin. Meillä on kyllä biomuoveja, mutta ne eivät ole kovin kestäviä. Siksi tässä onkin kehityksen paikka”, sanoo tekniikan tohtori Suvi Arola. Toisaalla elektroniikkajätevuoret myrkyttävät maaperää, joten haastetta biomateriaalien tutkimukselle riittää.

Jälkipolville pitää jättää elinkykyinen maapallo. Se on henkilökohtainen missioni biomateriaalitutkimuksessa.― tutkija Suvi Arola

Arolan mukaan erittäin mielenkiintoinen malli biomateriaalitutkimukselle löytyy merestä. Simpukan kiinnittymisjalat on tarttumaelin, joka muodostuu kokonaan proteiineista. Materiaalissa on vahva kuori, joka kestää hiekan jyvästen aiheuttamaa iskua, ja sisällä on kuitenkin joustava osa, joka mahdollistaa simpukan liikkumisen aaltojen mukaan eikä se irtoa tai katkea ollenkaan.

”Käytännössä se on varsinainen luonnon ihmeaine, ja tämä kaikki toimii vielä kosteassa ympäristössä”, toteaa tekniikan tohtori Suvi Arola. Kosteus onkin aikamoinen haaste biomateriaalin kestävyydelle. Esimerkiksi hammaspaikat ovat suussa koetuksella. Arola siirtyi huhtikuussa Aallon biomateriaaliyksiköstä tutkijaksi Kanadaan Brittiläisen Kolumbian yliopistoon.

Riskejä?

Kaikkeen ihmisen toimintaa liittyy riskejä. Niin synteettisen biologiaankin, jos sitä käytetään vääriin tarkoitusperiin. Jo geenitekniikan alusta lähtien tutkijoille on ollut selvää, että geenimuuntelun mahdollisia haittoja tulee arvioida. Teollisessa biotekniikassa kemikaalien ja materiaalien tuottaminen tapahtuu suljetuissa bioreaktoreissa eikä tuotto-organismeja päästetä ulos luontoon, muistuttaa tutkimusprofessori Merja Penttilä VTT:ltä.

Myös ihmisen vaikutukset luontoon, ilmastonmuutos, saastuminen ja ruokapula, edellyttävät uusia toimia maailman pitämiseksi elinkelpoisena. Henkilökohtaisella tasolla ihmiset joutuvat miettimään, onko esimerkiksi yksilöllisten tautigeenien parantaminen paikallaan. "Onko eettisempää, että uudet teknologiat otetaan käyttöön vai ei", kysyy tutkimusprofessori Merja Penttilä ja jatkaa: "keskustelua tarvitaan, koska tämän tyyppiset teknologiat kehittyvät nopeasti. Mitä ihmiskunta haluaa?"

  • Syö kuin astronautti: kvinoapuuroa marsilaisella pestolla

    Haastoimme huippukokki Henri Alénin valmistamaan Mars-ruokaa

    Millaisen gourmet-aterian huippukokki loihtisi Marsissa? Heitimme haasteen Henri Alénille, jonka tehtävänä oli valmistaa avaruusateria raaka-aineista, joita voidaan tulevaisuudessa kasvattaa Mars-maaperässä.

  • astronautti Samantha Cristoforetti ISS:llä

    Elämää avaruudessa - painottomuus haastaa astronautit

    Sukat vaihdetaan kerran viikossa ja lautasetkin syödään.

    Kansainvälinen avaruusasema ISS kiertää maapalloa noin 400 kilometrin korkeudessa huimaa 28 000 kilometrin tuntivauhtia. Tällä hetkellä kyydissä on viisi astronauttia ja kaiken kaikkiaan siellä on elänyt 200 ihmistä. Mutta millaista on elää painottomuudessa? Miten siellä hoidetaan arkiset askareet?

  • Skorpionin tähtikuviota

    Skorpioni pilkistää eteläisellä yötaivaalla

    Skorpioni pilkistää eteläisellä yötaivaalla

    Kesä lähestyy ja nyt ovat käsillä viimeiset hetket tähtitaivaan tarkkailuun ennen vaaleita öitä. Toukokuun alussa tähdet näkyvät vielä hyvin. Katse kannattaa suunnata varsinkin etelätaivaalle, jossa pilkistää osa meille harvinaisesta Skorpionin tähdistöstä. Skorpioni on hyvä kohde yökukkujille, jotka jaksavat valvoa, tähtikuvio nousee nimittäin näkyviin vasta parisen tuntia puolenyön jälkeen.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Skorpionin tähtikuviota

    Skorpioni pilkistää eteläisellä yötaivaalla

    Skorpioni pilkistää eteläisellä yötaivaalla

    Kesä lähestyy ja nyt ovat käsillä viimeiset hetket tähtitaivaan tarkkailuun ennen vaaleita öitä. Toukokuun alussa tähdet näkyvät vielä hyvin. Katse kannattaa suunnata varsinkin etelätaivaalle, jossa pilkistää osa meille harvinaisesta Skorpionin tähdistöstä. Skorpioni on hyvä kohde yökukkujille, jotka jaksavat valvoa, tähtikuvio nousee nimittäin näkyviin vasta parisen tuntia puolenyön jälkeen.

  • kolme hymyilevää sormea puistossa

    Me ollaan kaikki mutantteja - toiset enemmän kuin toiset

    Kaikilla on jotain anatomisia tai fysiologisia poikkeamia.

    Meillä kaikilla on jonkinlaisia anatomisia tai fysiologisia poikkeamia. Joskus ne ovat hyvin ilmeisiä ja joskus niitä ei huomaa. Kuvantamisteknologioiden ja perimän sekvensoinnin kehittyessä mutantit kuitenkin huomataan yhä useammin. Rajanvedosta normaalin ja poikkeavan välillä tulee kokoajan hankalampaa. Millainen mutantti sinä olet, kysyy Lauri Reuter blogissaan.

  • astronautti Samantha Cristoforetti ISS:llä

    Elämää avaruudessa - painottomuus haastaa astronautit

    Sukat vaihdetaan kerran viikossa ja lautasetkin syödään.

    Kansainvälinen avaruusasema ISS kiertää maapalloa noin 400 kilometrin korkeudessa huimaa 28 000 kilometrin tuntivauhtia. Tällä hetkellä kyydissä on viisi astronauttia ja kaiken kaikkiaan siellä on elänyt 200 ihmistä. Mutta millaista on elää painottomuudessa? Miten siellä hoidetaan arkiset askareet?

  • hiilivoimala talvisessa maisemassa ja sen päällä kieltomerkki

    Näkökulma: Pelastetaan ilmasto ydinvoimalla!

    Ydinvoima ei tuota hiilipäästöjä. Sitä pitäisi hyödyntää.

    Kuinka monta hiiliatomia täytyy polttaa, jotta saadaan yhtä paljon lämpöä kuin yhden uraaniytimen halkaiseminen tuottaa? Vastaus on 50 000 000. Siis 50 miljoonaa! Havainnollistan: jos hiiliatomi vastaa yhtä riisinjyvää, uraaniatomi on kuin tuhat kiloa riisiä.