Biotalouden tulevaisuuden tekijät osa 3: Solutehtaan muokkaus

Blogi - Julkaistu 19.2.2021

Teollisuuden on kasvatettava tuottavuuttaan pysyäkseen kilpailukykyisenä. Tämä tehdään yleensä kehittämällä tuotantoprosessia eli tehtaan tehokkuutta. Sama pätee myös synteettisessä biologiassa. Centre for Young Synbio Scientists -tutkimusyhteisössä tohtoriopiskelija Natalia Kakko tutkii solujen tuottavuuden tehostamista. Solutehtaiden kehittäminen voi mahdollistaa monille synbio-alan yrityksille tuottavuuden ja kannattavuuden kasvua, samanaikaisesti kun se tukee useita YK:n kestävän kehityksen tavoitteista.

Kuvittele miljoonakaupungin metroverkko. Monimutkainen kartta, jossa on tuhansia sisääntulopisteitä, asemia ja mahdollisten reittien yhdistelmiä. Nyt kuvittele, että tämä kartta kuvaa solun sisällä tapahtuvia prosesseja. Mitä, jos olisi mahdollista sulkea osa reiteistä ja varmistaa, että vain kaikkein tärkeimmät sisääntulot ja määränpäät olisivat saatavilla. Tämä analogia kuvaa sitä, mistä solutehtaan tehostamisessa on kyse. Jotta solu tuottaisi haluamaamme tuotetta, sen sisäinen kemia pitää suunnata mahdollisimman paljon siihen tehtävään. Jos solu lakkaa tekemästä proteiineja omaan kasvuunsa ja suuntaa sen sijaan nämä resurssit sellaisiin proteiineihin (entsyymeihin), jotka edesauttavat halutun tuotteen synteesiä, sen tuottavuus kasvaa ja koko prosessi tehostuu. Tätä ongelmaa tutkijat yrittävät nyt tosissaan ratkaista: kuinka muokata elävien solujen aineenvaihduntaa (metaboliaa) eli biokemiallisten reaktioiden kapasiteettia ihmiselle mahdollisimman optimaaliseksi?

Solujen uudelleen ohjelmointi metabolian muokkauksen avulla

Synteettinen biologia ja solujen metabolian eli aineenvaihdunnan muokkaus avaavat täysin uudenlaiset tulevaisuudennäkymät tuotteiden ja materiaalien tuotannolle. Synteettisen biologian tutkija Natalia Kakko, tohtorikoulutettava Centre for Young Synbio Scientists -tutkimusyhteisössä rakentaa tätä tulevaisuutta väitöskirjatyössään, jossa hän keskittää ja hienosäätää solutehtaiden toimintaa. Hänen tutkimushankkeensa tähtää hiivasolun tuottavuuden muuttamiseen viemällä soluun aktivoitavissa oleva proteiinien hajotusjärjestelmä, jonka avulla valitut proteiinit voidaan haluttaessa tuhota. Ihannetapauksessa järjestelmä rajoittaa kilpailua keskeisistä resursseista, lopettaa solun kasvun ja kohdistaa aineenvaihdunnan toiminnan halutun lopputuotteen tuotantoon, aiheuttamatta kuitenkaan haittoja solun elävyydelle.

Kakko luo proteiinien hajotusjärjestelmän geenimuokkauksen avulla. Käyttämällä CRISPR/Cas -menetelmää, hän liittää valittuihin proteiineihin merkit, jotka merkitsevät ne tuhottaviksi. Kun proteiinien hajotusjärjestelmä (ClpXP-proteasomi) aktivoituu solussa, se tunnistaa nämä proteiinit ja hajottaa ne.

Geenien ohjelmointi on monimutkainen prosessi, jossa geeni itsessään ei tuhoudu vaan proteiini, jota se tuottaa. Yleensä metabolian muokkauksessa poistetaan geenejä, mutta Kakon tapauksessa näin ei tehdä, vaan kohteena on geenin määrittämä proteiini. Prosessin ymmärtämisessä voi olla hyötyä metrokartta -analogiasta. Nyt kohteena olevat proteiinit, entsyymit eli solun omat katalyytit, ovat junia jotka ajavat määrättyjä spesifisiä reittejä. Jos junat poistetaan käytöstä tiettyjen asemien väliltä, tämä vaikuttaa koko järjestelmään, ja liikenne täytyy ohjata kulkemaan vaihtoehtoisia reittejä eli solun tapauksessa tuotantopolkuja.

Koska ratoja ei ole tuhottu, voidaan junat saattaa kulkemaan tai niiden kulku estää halutulla tavalla. Samalla voidaan saada tapahtumaan solussa: entsyymin hajotusprosessista vastaava proteiini (nk. proteosomi) saatetaan toimimaan halutuissa olosuhteissa, sitä kontrolloivan nk. promoottorin avulla. Kakko on saanut solunsisäisen kontrollijärjestelmän toimimaan suunnitellusti; kun hajotusjärjestelmän taso nousee merkittyjen proteiinien määrä vähenee. Hiivasolun kasvu myös hidastuu, mutta aineenvaihdunta jatkuu ja solu on elossa. Tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta, jotta voidaan selvittää tarkemmin, mikä vaikutus proteiinien hajotusjärjestelmällä on hiivasolun aineenvaihduntaan.

Aineenvaihdunnan optimoinnista eläviin solutehtaisiin

Solun enstyymitason vaikutusten lisäksi Kakko voi parantaa solun aineenvaihduntaa myös tekemällä soluun uusia geneettisiä muutoksia. CRISPR -teknologiaa voidaan käyttää geenien lisäämiseksi aineenvaihduntareiteille uusien aineiden tuottamiseksi tai sellaisten geenien eliminoimiseksi, jotka häiritsevät halutun lopputuotteen tuotantoa. Osa Kakon tutkimuksesta keskittyy lisäämään hiivaan toisista organismeista peräisin olevia tuotantoreittejä, kuten glykolihapon tai galaktaarihapon synteesireittejä. Nämä hapot toimivat mm. uusien biomuovien rakennuspalikoina.

Samantyyppisillä menetelmillä hiivasolussa on jo onnistuttu tuottamaan teollisuudessa hyvin hyödyllisiä aineita kuten erilaisia biomuoveja, terpenoideja ja β-karoteenia sekä joitain kasvien luonnostaan tuottamia aineita. Geneettisten reittien muokkaus tarjoaa uusia tapoja hyödyntää hiivasolua tuotantotehtaana muun muassa polttoaineiden, kemikaalien, lääkeaineiden ja materiaalien kestävässä tuotannossa.

CRISPR ja EU -lainsäädäntö

CRISPR/cas on geenimuokkausmenetelmä, jonka kehittäjät Emmanuelle Charpentier ja Jennifer Doudna palkittiin kemian Nobelilla vuonna 2020. Geenisaksiksikin kutsuttu uusi tekniikka on nopea ja tarkka tapa muokata eläinten, kasvien ja mikrobien perimää. Menetelmä on niin uusi, ettei EU:n lainsäädäntö ole vielä täysin mukautunut siihen ja jäsenmaiden tulkinnat sen soveltamisesta vaihtelevat

Normaalisti mikro-organismien geneettinen muokkaus suljetuissa kierroissa on suljettua käyttöä koskevan nk. minimidirektiivin alainen, mutta EU:n tuomioistuimen päätös vuodelta 2018 tulkitsi, että kaikki uudet menetelmät mukaan lukien CRISPR/Cas kuuluvat nk. avoimen käytön direktiivin eli tarkoituksellista levittämistä ympäristöön koskevan geenitekniikkadirektiivin 2001/18/EY soveltamisalaan. Tämä tulkinta on tunnistettu ongelmalliseksi ja siksi EU:n komissio onkin ilmoittanut ottavansa uusia jalostustekniikoita koskevan lainsäädännön uudelleen käsittelyyn.

CRISPR/cas menetelmän käyttö on siis sallittua, mutta tarkoin säänneltyä. Suomessa menetelmää on käytetty suljetuissa ympäristöissä kuten lääketieteen ja biotekniikan aloilla, jolloin organismien geneettinen muokkaus tapahtuu aina laboratorio-oloissa ja ns. suljetuissa kierroissa, eli muunnellun geenin ympäristöön leviämisen vaaraa ei ole. Jos organismi on tuottanut itsensä ulkopuolelle materiaalia, sen voidaan katsoa olevan täysin turvallista ja toisaalta itse organismit tuhotaan aina asianmukaisesti käytön jälkeen.