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 simpukka,biomateriaalit,Biomateriaalitekniikka,biotekniikka,Kalmarit,simpukka

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

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,Tiedeykkönen,biomateriaalit

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?"

  • Aivotutkija: Nämä viisi asiaa kaipaavat kipeimmin muutosta suomalaisessa työelämässä

    Kiire, uni, tehokkuus, tilat ja verkostotyö.

    Kun aivotutkija päästetään katselemaan suomalaista työelämää, tulee mieleen pitkä lista asioita, jotka kannattaisi muuttaa. Aloitetaan tärkeimmistä, kirjoittaa aivotutkija Minna Huotilainen blogissaan. 1. Kiire ja hoppu pois! Lyhytjänteinen asioista toiseen hyppiminen ja jatkuvat keskeytykset eivät päästä aivoja vakaviin töihin, vaan pitävät meidät lillukanvarsien parissa.

  • Oletko onnellinen? Jos et, haluatko vaikuttaa asiaan?

    Oletko tyytyväinen elämääsi? Koetko itsesi onnelliseksi?

    Moni meistä on mieluummin onnellinen kuin onneton. Onko omassa elämässä kohentamisen varaa? Minkälaista on hyvä ja onnellinen elämä? Aihepiiri tulee iholle ja tuntuu henkilökohtaiselta asialta. Pitääkö vielä olla onnellinen, jos hoitaa työnsä ja perheensä riittävän hyvin? Vai mitä todella ajattelen sisimmässäni, olenko tyytyväinen elämääni tässä ja nyt?

  • Alzheimerin taudin rusentavat muutokset saadaan näkyviin antiaineen avulla

    Antiaine mahdollistaa PET-aivokuvantamisen.

    Alzheimerin taudin aiheuttamat hirvittävät muutokset saadaan näkyviin PET-kuvauksessa antiaineen avulla. Ajatella, että antimaterian keksi 1920-luvulla eräs fyysikko pelkällä kynällä ja paperilla, kirjoittaa teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen blogissaan. Mestarifyysikko Paul Diracilla oli kova itseluottamus.

  • Kaareutuva vai kulmikas? Visuaalinen illuusio kertoo aivojen toiminnasta

    Tietty mustan, valkoisen ja harmaan yhdistelmä sotkee aivot.

    Katso tarkasti yllä olevan kuvaa. Minkälaisia viivoja näet? Ovatko ne pehmeästi kaareutuvia vai kulmikasta siksakkia? Tietty mustan, valkoisen ja harmaan yhdistelmä sopivasti aseteltuna sotkee aivojen ääriviivoja hahmottavia prosesseja, kirjoittaa havaintopsykologi Jukka Häkkinen blogissaan.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Aivotutkija: Nämä viisi asiaa kaipaavat kipeimmin muutosta suomalaisessa työelämässä

    Kiire, uni, tehokkuus, tilat ja verkostotyö.

    Kun aivotutkija päästetään katselemaan suomalaista työelämää, tulee mieleen pitkä lista asioita, jotka kannattaisi muuttaa. Aloitetaan tärkeimmistä, kirjoittaa aivotutkija Minna Huotilainen blogissaan. 1. Kiire ja hoppu pois! Lyhytjänteinen asioista toiseen hyppiminen ja jatkuvat keskeytykset eivät päästä aivoja vakaviin töihin, vaan pitävät meidät lillukanvarsien parissa.

  • Oletko onnellinen? Jos et, haluatko vaikuttaa asiaan?

    Oletko tyytyväinen elämääsi? Koetko itsesi onnelliseksi?

    Moni meistä on mieluummin onnellinen kuin onneton. Onko omassa elämässä kohentamisen varaa? Minkälaista on hyvä ja onnellinen elämä? Aihepiiri tulee iholle ja tuntuu henkilökohtaiselta asialta. Pitääkö vielä olla onnellinen, jos hoitaa työnsä ja perheensä riittävän hyvin? Vai mitä todella ajattelen sisimmässäni, olenko tyytyväinen elämääni tässä ja nyt?

  • Kaareutuva vai kulmikas? Visuaalinen illuusio kertoo aivojen toiminnasta

    Tietty mustan, valkoisen ja harmaan yhdistelmä sotkee aivot.

    Katso tarkasti yllä olevan kuvaa. Minkälaisia viivoja näet? Ovatko ne pehmeästi kaareutuvia vai kulmikasta siksakkia? Tietty mustan, valkoisen ja harmaan yhdistelmä sopivasti aseteltuna sotkee aivojen ääriviivoja hahmottavia prosesseja, kirjoittaa havaintopsykologi Jukka Häkkinen blogissaan.

  • Tutkimus: Rasvaiset maitotuotteet voivat olla terveellisempiä - 3 asiantuntijaa vastaa rasvakiistan väitteisiin

    Mitä jos suositukset ovatkin väärässä?

    Rasvaton maito vai täysmaito? Margariinia vai voita? Jugurtti ilman rasvaa vai sittenkin se rasvaisempi versio? Vuosikymmenten ajan niin terveysviranomaiset kuin kuluttajatkin ovat pitäneet näitä kysymyksiä itsestäänselvyyksinä: ostoskoriin kuuluu valita ne vähemmän rasvaiset vaihtoehdot. Mutta voivatko terveysviranomaiset suosituksineen olla väärässä?

  • Alzheimerin taudin rusentavat muutokset saadaan näkyviin antiaineen avulla

    Antiaine mahdollistaa PET-aivokuvantamisen.

    Alzheimerin taudin aiheuttamat hirvittävät muutokset saadaan näkyviin PET-kuvauksessa antiaineen avulla. Ajatella, että antimaterian keksi 1920-luvulla eräs fyysikko pelkällä kynällä ja paperilla, kirjoittaa teollisuusmatemaatikko Samuli Siltanen blogissaan. Mestarifyysikko Paul Diracilla oli kova itseluottamus.