Sünteetiline bioloogia on uus ning kiiresti arenev teadusharu, mis võimaldab disainida uusi bioloogilisi organisme, kasutades selleks matemaatilisi mudeleid ning võimaldades seeläbi toota erinevaid kasulikke kemikaale. Uurisime teema kohta lähemalt Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi vanemteaduri Petri-Jaan Lahtvee käest.
Lihtsasti lahtiseletatult tähendab sünteetiline bioloogia, et meil on võimalus toota igapäevases kasutuses olevaid materjale taastuvast toormest ning seeläbi liikuda eemale keskkonda saastavast naftakeemiast. Sünteetiline bioloogia saab olema üks võtmetehnoloogiatest, ehitamaks üles kestlikku biomajanduse kontseptsiooni.
Bio- ning ringmajanduse kontseptsioon on nii Euroopas kui ka Eestis aina laiemat kõnepinda haaranud. Milliseid arenguid on nende teemade osas oodata?
Biomajanduse peamine eesmärk on loobuda taastumatute maavarade kasutamisest ning üle minna taastuvatel bioressurssidel põhinevale tootmisele. Et piiratud koguses olevaid taastuvaid ressursse paremini ära kasutada, on eesmärgiks väärindada maksimaalselt algset toorainet ning võimalusel vältida jääkproduktide teket. Kui jääke peaks siiski tekkima, võetakse need kasutusele järgmistes, alternatiivsetes protsessides.
See kontseptsioon viibki meid ringmajanduse mõisteni. Et selliseid kasulikke süsteeme luua, tuleb kombineerida teadmisi erinevatest valdkondadest. Seega toimub biomajanduses rohelise keemia ühendamine biotehnoloogiliste protsessidega, kusjuures digitaliseerimine annab tihtipeale võimaluse toimuvale suurema hoo sisse anda. Biotehnoloogiliste protsesside effektiivsemaks muutmisel mängib aga suurt rolli just kiire areng sünteetilises bioloogias, kus loodame järgmiste aastate jooksul pidevalt kasvavat väljundit.
Sünteetiline bioloogia tegeleb uute funktsioonidega rakkude ja organismide disainimisega. Kui kaugele oleme selle tehnoloogiaga hetkel jõudnud?
Justnimelt, kui geenitehnoloogia hakkas arenema 1970ndate aastate lõpus, siis suutsid teadlased modifitseerida või siirdada elusrakkudes üksikuid geene, tänu millele suudeti toota mikroorganismidega näiteks insuliini ning muuta antibiootikumide tootmist efektiivsemaks ja seeläbi odavamaks ning kättesaadavaks kõikidele, ka vaesematele riikidele.
Need protsessid põhinevad paljuski katse- ja eksitusmeetoditel, mis omakorda teeb arenduse – näiteks ühe rakuvabriku väljatöötamise – võrdlemisi aeganõudvaks ning kalliks.
Sünteetilise bioloogia eesmärk on viia geenitehnoloogia uuele tasemele, muutes bioloogilised süsteemid ettearvatavaks ning standardseteks. Selline areng võimaldaks sarnaselt elektroonilistele süsteemidele täpselt, kasutades matemaatilisi mudeleid, disainida rakuvabrikuid, mis suudavad toota praktiliselt kõiki võimalikke kemikaale ning seda kõike võrdlemisi lühikese aja jooksul.
Elektroonikas on tänagi võimalik tooteid, näiteks arvuteid, disainida minimaalse vajadusega ning nende funktsionaalsust ka testida. Sama soovime tulevikus saavutada ka eluslooduses, et kõik vajalikud komponendid elusrakkude ülesehitamiseks oleksid hästi läbi testitud ning võimaldaks ab
initio disaini.
Looduses on väga erinevate funktsioonidega organisme. On taimi, mis toodavad hiina meditsiinist tuntud vähiravimeid või termiite, mis suudavad lagundada tselluloosi. Praeguste tehnoloogiatega suudame me ära tunda selliste funktsioonide eest vastutavad DNA-lõigud ning need viia kokku mõnda kiiresti kasvavasse mikroorganismi – näiteks pagaripärmi – ning optimeerida nende protsesside efektiivsust.
Igapäevaelus ei pandagi hetkel veel täpselt tähele, kuidas me üha enam tarbime tooteid, mis on toodetud disainitud mikroorganismidega. On selleks näiteks siis Coca-Cola sees olev sidrunhape, toidulisandid nagu resveratrool või erinevad ravimid. Julgen arvata, et järgmise viie aasta jooksul tekib selliseid tooteid juurde eksponentsiaalse kiirusega.
Euroopas on ühed suuremad tööstusliku biotehnoloogia kasutajad keemia suurtöösturid. DSM Hollandist toodab näiteks tärklisest erinevate värvide, vaikude, metallitöötluskemikaalide koostisosa merevaikhapet. Saksamaa keemiatööstusest saab tuua näitena selle tööstusharu gigandi BASFi B12-vitamiini tootmise või valuvaigistitena kasutatavad opioidid, mille kommertsiaalne tootmine pannakse püsti käesoleval aastal.
Millega täpselt sünteetilise bioloogia keskus Tartus tegeleb ning mis võimalusi tänu sellele pakub? Mis on arendusplaanides?
Tartus alustasime tööstusele suunatud sünteetilise bioloogia arendamist kaks aastat tagasi ja hetkel oleme fokuseerunud eelkõige uute tootjatüvede disainimisele. Me arendame tüvesid, mis suudaksid tarbida erinevaid Eestis leiduvaid kohalikke toormeid ning tööstuslikke jääkprodukte.
Samas tegeleme me ka aktiivselt erinevate kunstlike lülitite ja biosensorite testimisega ning rakkude metobolismi mõistmisega, et disainida bioprotsesse, mis omavad kõrgemat efektiivsust soovitud ainete ning materjalide tootmisel.
Kui rääkida pikemast perspektiivist, siis järgmise viie aasta jooksul oleme me üles ehitamas suuremat keskust, mis võiks aidata tööstust kogu biotehnoloogilise protsessi väärtusahela ulatuses – see hõlmaks nii kohaliku toorme töötlemist, et seda mikroorganismide abil konverteerida väärtuslikemateks kemikaalideks, rakuvabrikute endi disainimist kui ka lõpp-produkti eraldamist ning puhastamist.
Lisaks plaanime rajada keskuse ühe osana piloottehase, mis lubab biotehnoloogilisi protsesse testida. Seda skaalas, mis on juba lähemal reaalsele tootmisele. Seega saab tööstus soovitud biotehnoloogilisi protsesse optimeerida nii-öelda pilootskaalas, mis võimaldab tootmisprotsesse alustada juba maksimaalse efektiivsuse juures. Seda kõike teeme me hetkel koostöös oma partneritega nii Soomest, Rootsist, Taanist kui ka Lätist.
Milliseid tooraineid saaksime Eestis kõige paremini edasi väärtustada?
Mikroobid on võimelised tarbima erinevaid orgaanilisi jääke, nagu põhk, puidutööstuse jäägid, toiduainetööstuse jääkvees sisalduvad suhkrud, olmejäätmed ja palju muud, ning konverteerima seda soovitud kemikaaliks, mille tootmiseks nad disainitud on. See annab unikaalse võimaluse bio- ja ringmajanduse arendamiseks erinevates sektorites. Lisaks uurime, kas on tasuv kasutada ka näiteks veekogudes leiduvaid vetikaid.
Enamgi veel, osad mikroobid on võimelised kasutama oma kasvuks vaid CO2-te süsinikuallikana ning valgust või elektrone energiakandjana. Nii on näiteks võimalik olmeprügi pürolüüsil või teistes tööstusprotsessides tekkiv gaasisegu töödelda ümber vedelkütusteks. Sünteetilisel bioloogial on esmatähtis roll muuta erinevate taastuvate toormete tarbimine mikroorganismidele efektiivsemaks.
Kuna ka näiteks lignotselluloosse biomassi varud on meil piiratud, siis seda väärtusahelat tuleb täpselt suunata. Erinevad puidu fraktsioonid sobivad erineva väärtusega toodeteks. Kui palk suunata ehitusse või mööblitööstusesse ning kiudained ja fiiber suunata pakendamisesse ning tekstiilitööstusesse, siis ülejääv puidujääk on võimalik suunata suhkrute ning ligniini eraldamisesse, kus neid aineid saab edasi kasutada biotehnoloogilistes protsessides.
Mida suurema osa lignotselluloossest biomassist suudame efektiivselt ära kasutada, seda enam väärtust suudame luua. Kõige madalama väärtusega jääk on alati võimalik suunata ka energiatootmisesse.
Mis võiks olla ajaline raamistik, et senine teadusarendustöö rakenduks ka tootmises?
Esimesed suuremad projektid 1990. aastatel, kus mikroorganisme disainiti ümber tootma erinevaid kemikaale, võtsid aega umbes 15 aastat ning maksid kokku üle 100 miljoni dollari. Üheks selliseks näiteks on polüestri 1,3-propaandiooli biotehnoloogilise tootmisprotsessi väljatöötamine DuPonti ja Tate & Lyle poolt.
Tänaseks on protsessid rakuvabrikute väljatöötamiseks märkimisväärselt kiirenenud ning selle trendi jätkumist on oodata ka tulevikus.
Olenevalt täpsemalt tootest ning protsessi keerukusest võib hetkel eeldada ühe protsessi väljatöötamise ning optimeerimise ajaks umbes kolm kuni viis aastat. Samas on meie partneritel ka juba nii-öelda riiulist võetavaid lahendusi, mida tuleb vaid kohalikes tingimustes optimeerida. Kuigi bioloogia muutmine tehnoloogiateaduseks ei ole lihtne ülesanne, on tehnoloogiate areng aidanud neid protsesse oluliselt kiirendada.
Sünteetiline bioloogia: võimalus Eesti tööstustele
Biotehnoloogia kombineerituna sünteetilise bioloogiaga on unikaalne tehnoloogiline platvorm, mis võimaldab lahendusi pea igas tööstuslikus sektoris, sealhulgas energia, puidu-, toidu-, sööda-, keemia-, farmaatsiatööstuses kui ka IT-s.
„Kasutades elusrakkude laia keemilist võimekust – biokeemiat – on biotehnoloogiliselt võimalik toota pea igat kemikaali, ka naftakemikaale, mida hetkel peamiselt vaid fossiilsetest allikatest toodetakse,” selgitab Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi vanemteadur Petri-Jaan Lahtvee. „See annab Eestile uskumatu võimaluse, sest erinevaid kemikaale ning materjale on võimalik toota siin kohapeal ning kohalikust toormest.”
Paljud keemia- ning energiatööstused kaaluvad sünteetilise bioloogia kasutuselevõttu, kuna see võimaldab toota lisaks juba eksisteerivatele materjalidele ka täiesti uusi ning uute funktsionaalsustega tooteid. Tootmisprotsessid on sealjuures tihti soodsamad, need on toodetud kohalikust kestlikust toormest ning väiksema energiakuluga.
Lahtvee sõnul võivad need tooted olla näiteks biokütused nagu butanool või biodiisel, kuid ka platvormkemikaalid, mida saab kasutada bioplastikus. „Samas on võimalik toota ka kallimaid kemikaale, mida saab kasutada näiteks toidulisanditena (vanilliin, resveratrool, vitamiinid) või lausa farmaatsias (diabeedi ravim Sitagliptin, malaariaravim artemisiniin või antibiootikumid nagu Cephalexin),” lisab ta.
Eesti ettevõtetele suunatud
Kuivõrd aga Tartus olev keskus arvestab kohalikku konteksti, Eesti ettevõtete vajadusi ning kas ettevõtetel on ka võimalus testida disainerrakkude prototüüpe, mida tööstuses reaalselt rakendada. Petri-Jaan Lahtvee sõnul ollakse just keskendunud erinevate kohalike toorainete väärindamisele, mistõttu erinevad Eesti ettevõtted võiksid leida siit endale sobivaid lahendusi.
„Tihtipeale on need just rätsep-lahendused, mis sobivad just teatud ettevõtte jääkprodukti väärindamiseks neile vajalikuks kemikaaliks või materjaliks,” sõnab ta. Näited võivad olla siin vadakust või maitset andva toidulisandi atsetoiini tootmine või puidujääkidest valgu tootmine kalasöödaks.
Lahtvee sõnul pakutakse ettevõtetega koostööks erinevaid võimalusi alates tööstuslikest magistrantuuri- või doktorantuuriprogrammidest kuni pikemate arendusprojektideni välja.
„Samuti pakume ettevõtetele konsultatsiooniteenuseid ning võimalus on kasutada meie laborites olemasolevaid mõõteseadmeid. Meie eesmärk on tekitada Eestis tugev kompetents erinevate bioloogiliste protsesside rakendamiseks tööstuses ning anda kohalikule tööstusele võimalus rakendada just neile sobilikke uusimaid tehnoloogiaid biomajanduses,” selgitab Lahtvee. Eesmärk on keskenduda kohaliku toorme kasutamisele (põhk, puidujäägid, olmeprügi, kuid ka tööstustest emiteeritav CO2 ja CO) ning tekitada platvorm tüvede kiireks ning efektiivseks disainimiseks, et teaduse siire laborist reaalsete rakendusteni oleks võimalikult kiire ning efektiivne.
