Yhdysvaltalainen biokemisti Frances Arnold sai suunnatun evoluution tutkimuksestaan Millennium-teknologiapalkinnon vuonna 2016. Arnold on kehittänyt uuden ja nopean tavan muokata proteiineja. Menetelmässä luonnonvalintaa jäljitellään laboratoriossa.

Sinun tulee hyväksyä evästeet, jotta toiminto voidaan avata

• markkinointievästeet

Klikkaa tästä muokataksesi evästeasetuksia►

Suunnatussa evoluutiossa laboratoriossa kasvatetaan esimerkiksi mikrobeja, joiden geenejä muokataan. Muokatut mikrobit tuottavat ihmisille hyödyllisiä aineita. Mikrobien tuottamia entsyymejä ja muita proteiineja käytetään esimerkiksi lääkkeinä, pesuaineissa ja elintarvikkeissa sekä polttoaineiden ja muiden kemikaalien valmistamisessa. Aiempiin menetelmiin verrattuna suunnattu evoluutio on nopea, huokea ja helppo.

Menetelmä otettiin kehittämisen jälkeen nopeasti laajaan käyttöön. Sillä on muun muassa kehitetty jo tehokas, uusi insuliini, jota käytetään kakkostyypin diabeteksen hoidossa.

Suomessa paljon kokemusta

Myös Suomessa menetelmän käytöstä on jo paljon kokemusta.

Akateemikko Merja Penttilä työskentelee biotekniikan tutkimusprofessorina VTT:llä. Hänen erikoisalanaan on teollinen biotekniikka, synteettinen biologia, ja mikrobien parantaminen teolliseen tuotantoon. ”Olemme esimerkiksi tehneet erilaisia materiaaleja, jotka voivat korvata öljypohjaiset muovit. Esimerkiksi PLA on yksi tällainen uusiutuvista luonnonvaroista valmistettu biohajoava muovi, jonka hiivalla tapahtuvaa tuotantoprossia olemme kehittäneet yhdessä yhdysvaltalaisyrityksen kanssa,” Penttilä esittelee.

”Meillä VTT:n laboratorioissa suunnatun evoluution menetelmiä on hyödynnetty jo pitkään hyvin erilaisilla sovellusalueilla”, Penttilä kertoo.

”Menetelmällä olemme tuottaneet parannettuja entsyymejä, joita käytetään sellaisenaan teollisissa sovellutuksissa. Esimerkiksi teollisuudella on ollut paljon tarvetta selluloosaa hajottaville tai muokkaaville entsyymeille, joita mm. johtava tutkija Anu Koivula tutkii VTT:llä.”

Selluloosaa muuttavat entsyymit voivat tehdä esimerkiksi paperin tuotantoa edullisemmaksi. Kasvien selluloosaa voidaan entsyymien avulla myös muuttaa raaka-aineeksi biopolttoaineiden tai kemikaalien tuotantoon.

VTT:n tankeissa kasvaa mikrobeja, jotka tuottavat suunnatulla evoluutiolla
parannettuja halutunlaisia entsyymejä. Kuva: Visa Noronen

Uusia ominaisuuksia entsyymeille

Suunnatussa evoluutiossa kohteena ovat yleensä entsyymit. Entsyymit ovat biologisia molekyylejä, joiden tehtävänä on nopeuttaa solujen kemiallisia reaktioita. Toisin sanoen ne toimivat katalyyttina. Suurin osa luonnon proteiineista on entsyymejä.

Suunnatussa evoluutiossa jäljitellään luonnonvalintaa. Varsinaiseen luonnossa tapahtuvaan luonnonvalintaan verrattuna tässä menetelmässä nopeutetaan entsyymeiden evoluutiota ja ohjaillaan sitä toivottuun suuntaan.

Laboratoriossa tuotetaan valtava määrä erilaisia mutaatioita halutun entsyymiä määrittävän geenin DNA-rakenteeseen. Mutanttigeenit siirretään mikrobeihin, esimerkiksi homeisiin, joissa niistä muodostuu mutanttiproteiineja. Mutaatioita sisältäviä homepesäkkeitä kasvatetaan laboratorioissa ja tämän jälkeen tutkitaan, mitkä homepesäkkeistä tuottavat halutulla tavalla parantunutta entsyymiä. Sopivaa entsyymiä tuottavat mikrobit valikoidaan eroon muista ja niitä aletaan kasvattaa suuria määriä.

Näissä homepesäkkeissä on mutatoitua DNA:ta. Sopivimmat homepesäkkeet päätyvät tuottamaan suuria määriä haluttua entsyymiä. Kuva: Visa Noronen

Suunnattu evoluutio auttaa kiertämään ongelman, että ihmisen on käytännössä usein mahdotonta suunnitella ja ennustaa etukäteen, miten mutaatiot vaikuttavat proteiinien omaisuuksiin. On parempi tuottaa runsaasti erilaisia mutaatioita ja seuloa sitten niistä hyödylliset haluttuun tarkoitukseen kuin alkaa tehdä vain yksittäisiä proteiinimuunnoksia.

Vihreää kemianteollisuutta

Suunnatun evoluution avulla voidaan luoda vihreää kemianteollisuutta. Biokemialliset reaktiot perustuvat entsyymeihin ja siksi suunnattua evoluutiota hyödynnetään biotekniikkaa käyttävillä teollisuuden aloilla.

Menetelmän avulla voidaan myös saada mikrobit tuottamaan esimerkiksi bioöljyä ja muita polttoaineita uusiutuvasta biomassasta. Tämä auttaa korvaamaan fossiilisen öljyn tulevaisuudessa.

Menetelmää hyödyntäen voidaan jopa korvata maatalouden torjunta-aineita ympäristöystävällisillä vaihtoehdoilla. Mikrobeilla voidaan vaikkapa tuottaa feromoneja, vaarattomia hajuaineita. Jos niitä ruiskutetaan laajasti pelloille, ne sekoittavat tuholaishyönteisten parittelun, eivätkä hyönteiset lisäänny.

Teksti ja video: Visa Noronen
Kuvat: Visa Noronen ja Tekniikan Akatemia

Lisätietoja Arnoldista

Millennium-teknologiapalkinto on suomalainen, miljoonan euron arvoinen kunnianosoitus maailman huippuinnovaatioille, jotka parantavat ihmisten elämänlaatua ja edistävät kestävää kehitystä. Palkittavat teknologian innovaatiot ovat yhteiskunnallisesti erittäin vaikuttavia ja edistävät hyvinvointia jopa koko ihmiskunnan tasolla. Kansainvälinen Millennium-teknologiapalkinto jaetaan seuraavaksi 22. toukokuuta 2018.