Digitaalisen kehitysalustan avulla biosynteettisiä materiaaleja luonnon keinoin 10 kertaa aiempaa nopeammin

Case - Julkaistu 27.2.2023

Biosynteettisten materiaalien kehittämisen tavoitteena on korvata fossiilisia, hiilipohjaisia raaka-aineita teollisessa tuotannossa sekä kehittää täysin uusia vastuullisia materiaaleja. Uusien materiaalien kehittäminen on välttämätöntä, koska muut yksittäiset ratkaisut eivät riitä materiaalihaasteen ratkaisemiseksi.

Luonnon materiaalien ominaisuuksien soveltaminen bioteknisessä tuotannossa on vielä monilta osin hyödyntämätön mahdollisuus. Yhtä tärkeää on, että materiaaleja kehitetään vastuullisesti ja ympäristöystävällisesti. Tavoitteena on fossiilisten raaka-aineiden korvaaminen kestävämmillä ratkaisuilla. Tulevan vuosikymmenen aikana nähdään siirtymä perinteisestä materiaalitieteestä ”kiihdytetyn materiaalitieteen” aikakauteen. Tämän mahdollistamiseksi ollaan parhaillaan investoimassa huimia summia bioteknologiaan. Esimerkiksi USA on ilmoittanut panostavansa aiheeseen lähitulevaisuudessa kahdella miljardilla dollarilla.

VTT:n kehittämällä alustalla voidaan luoda uusia materiaaleja

VTT:n lähestymistapa biosynteettisten materiaalien kehittämiseen yhdistää biotekniikkaa, synteettistä biologiaa ja digitaalista materiaalisuunnittelua. Tutkimuksessa rakennetaan tekoälyteknologiaa hyödyntävä digitaalinen alusta biosynteettisten materiaalien tutkimiselle ja kehittämiselle. Tutkimuksen myötä syntyvässä alustassa yhdistyy olennaisesti kaksi asiaa: tekoälypohjainen materiaalien rakenteen ja toiminnallisuuden ennustaminen sekä synteettisen biologian avulla suunniteltujen ja rakennettujen mikrobien myötä tapahtuva materiaalien biosynteesi.

Integroidussa digitaalisessa alustassa onnistuu niin suunnittelu, kehittäminen, testaaminen kuin oppiminenkin. Tutkija voi valita laajoista tietopankeista halutut geenit tai suunnitella aivan uuden DNA-koodin tuotantokantojen rakentamiseen. Toiminta on yhdistelmä digitaalista ja kokeellista tutkimusta.

Uusia mahdollisuuksia biosynteettisistä materiaaleista

Kehitettävän biosynteettisten materiaalien kiihdytysalustan avulla pystytään luomaan täysin uudenlaisia materiaaleja, jotka ovat ominaisuuksiltaan älykkäitä ja responsiivisia. Tavoitteena on pystyä vähintään kymmenkertaistamaan uusien materiaalien kehitystyön ja tuotannon nopeus. Sanomattakin on selvää, että tällä on merkittävä positiivinen vaikutus kestävään materiaalituotantoon.

Biologisten materiaalien ominaisuudet pohjautuvat geeneihin ja niiden biokemiallisin reaktioihin. Luonnon kemian kirjo ja rakenteiden toiminallisuus ovat erittäin rikkaita ja kehittyneet evoluution kuluessa sopeutumaan erilaisiin organismin tarpeisiin, vuorovaikutuksiin ja ulkoisiin olosuhteisiin. Genomidatan nopea kasvu yhdessä biologisten mekanismien ja ominaisuuksien ymmärtämisen kanssa on saanut aikaan valtavia biologista informaatiota sisältäviä datapankkeja. Synteettisen biologian avulla voidaan suunnitella biologisia systeemeitä, soluja, solun osia tai eliöitä, joita ei löydy edes luonnosta. Olemme vasta biosynteettisten materiaalien kehityksen alkutaipaleella, mutta jo nyt on nähtävissä, että eteemme avautuu valtavia mahdollisuuksia.

Kirjoittaja: Tua Huomo, VTT:n Tulevaisuuden tuotteet ja materiaalit -liiketoiminta-alueen johtaja. Yhteystiedot: +358 40 564 4146, tua.huomo@vtt.fi, @TuaHuomo