Tutkimusprojekti: Fotosynteesitutkimus – biotalouden ytimessä

Case - Julkaistu 2.2.2017

Siirtyminen fossiilisista raaka-aineista kestävään biotalouteen on yksi vuosisatamme suurista haasteista. Fossiilisten materiaalien korvaaminen uusituvilla raaka-aineilla ei yksistään riitä, vaan meidän tulee kehittää täysin uudenlaisia tuotteita ja prosesseja, jotka vastaavat kestävällä tavalla tulevaisuuden biomassojen niukkuuteen. Yksi merkittävä uusi mahdollisuus löytyy levien ja yhteyttävien bakteerien fotosynteesiin perustuvasta biopolttoaine- ja kemikaalituotannosta.

Erilaisissa kemikaaleissa ja korkean arvonlisän tuotteissa käytetään edelleen runsaasti fossiilisia raaka-aineita. On selvää, että maapallon biomassaresurssien käyttöä energiantuotannossa joudutaan miettimään uudelleen jo globaalien ruokakysymystenkin takia. Tämä näkökulma korostui esimerkiksi Euroopan komission Biotalousraportissa vuonna 2014. Uusia teknologioita ja innovaatioita tarvitaan kipeästi varmistamaan kemikaalien ja energian kestävät tuotantotavat.

Yhteyttävillä organismeilla, pienistä vesistöjen mikro-organismeista aina metsien massiivisiin puihin, on ainutlaatuinen kyky käyttää auringonvaloa kasvuun ja energian tuotantoon. Turun yliopiston Molekulaarisen kasvibiologian yksikössä toimiva, akatemiaprofessori Eva-Mari Aron johtama tutkimusryhmä pyrkii löytämään mullistavia keinoja fotosynteesin hyödyntämiseksi uusissa biotalouden ratkaisuissa. Tutkimusryhmä on koordinaattorina myös NordAqua-nimisessä pohjoismaisessa huippuyksikössä, joka tutkii mikro- ja makrolevien hyödyntämistä ja kaupallistamista.

Biopolttoaineitta ja kemikaaleja suoraan auringonvalosta

Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet on valmistettu kasveista kuten sokerista ja öljykasveista. Niiden hyödyntäminen on haastavaa, sillä ne kilpailevat väistämättä maa-alasta ja muista kasvatukseen tarvittavista resursseita. Toisen sukupolven biopolttoaineet valmistetaan syötäväksi kelpaamattomista kasvimateriaaleista kuten kasvijätteistä. Leväpohjaisia polttoaineita voidaan puolestaan kutsua kolmannen sukupolven polttoaineiksi. Tulevaisuudessa siintää myös biopolttoaineiden neljäs sukupolvi: mikrolevän yhteyttämisprosessissa syntyvät polttoaineet, jotka hyödyntävät raaka-aineenaan ainoastaan auringonvaloa, vettä ja happea.

Tällä hetkellä uusien kestävien tuotanto- ja jalostustapojen kehittämistarve on valtava. Esimerkiksi tiettyjen sinilevien ominaisuudet vaikuttavat hyvin lupaavilta bioaktiivisten ainesosien tuottamiseen. Tutkimuksen ja kehityksen ytimessä on kemian alojen yhteistyö, jonka avulla uudet ratkaisut ovat löydettävissä ja skaalattavissa.

Aron tutkimusryhmä on kehittämässä tuotantomallia, jolla voitaisiin tuottaa kemikaaleja ja biopolttoaineita suoraan yhteyttämisreaktiosta kestävällä tavalla, kokonaan ilman biomassaa. Yhteyttämisen alustana toimii syanobakteeri eli sinilevä. Levät käyttävät auringon energian yhteyttämisessä erittäin tehokkaasti verrattuna esimerkiksi puihin, jotka käyttävät yhteyttämisen energiaa myös muun muassa oksien ja juurien kasvattamiseen.

Biotalouteen synteettisen biologian avulla

Genomitietojen muokkaus, synteettinen biologia ja muu nykyteknologia tarjoavat uusia mahdollisuuksia fotosynteesireaktion muokkaamiseen ja sen entistä tehokkaampaan hyödyntämiseen. Professori Aron tutkimusryhmän tavoitteena on kehittää soluja, jotka pystyvät muuntamaan aurinkoenergiaa suoraan polttoaineiksi ja erilaisiksi kemikaaleiksi ilman biomassavaihetta.

Synteettinen biologia tarjoa uusia työkaluja myös biopolttoaineiden tutkimukselle ja kehittämiselle. Se mahdollistaa tehokkaampien ja edullisempien tutkimustapojen hyödyntämisen. Polttoaineiden lisäksi synteettisen biologian kehittymisestä hyötyvät myös kemikaali-, kasvibioteknologian ja lääketeknologian tutkimus. Synteettisen biologian ympärille on kehittynyt jo useampia yrityksiä, etenkin Yhdysvaltoihin, ja synteettisen biologian tutkimuksen odotetaan rantautuvan myös Suomeen.

Kaupalliset innovaatiot syntyvät perustutkimuksen avulla

Uusien innovaatioiden ja kaupallisten menestystarinoiden takana on usein paljon tutkimustyötä. Myös uusien polttoaineiden vallankumous vaatii vahvaa perustutkimusta, joka vaatii yleensä paljon aikaa ja työpanoksia aiheuttaen siten myös kustannuksia. Ilman perustutkimuksen avulla syntyviä ideoita, teorioita ja löydöksiä ei myöskään ole tutkittuun tietoon perustuvia innovaatioita, joita kestävän biotaloudenkin kehittyminen tarvitsee. Tämä on tärkeää huomioida päättäjien ja rahoitustahojen päätöksen teossa.

Turun yliopistossa työskentelevä akatemiaprofessori Eva-Mari Aro toimii Suomen Akatemian Finnish Centre of Excellence (CoE) “Molecular Biology of Primary Producers”-yksikön sekä Nordforskin rahoittaman pohjoismaisen huippuyksikön, NordAqua:n johtajana sekä parterina Australian CoE:ssä “Plant Energy Metabolism”. Hän on myös Turun BioCity- ohjelman “Advanced Bioresources and Smart Bioproducts – Towards Sustainable Bioeconomy” johtaja sekä European Academies of Science Advisory Council (EASAC):n hallituksen jäsen.

Tutkimuskoordinaattori Marjaana Suorsa koordinoi Biocity Turku tutkimusohjelmaa. Aro ja Suorsa toimivat avainrooleissa Turun yliopiston “BioFuture”-strategisen profilointialueen tutkimuksen ja koordinoinnin osalta.

Kirjoittajien yhteystiedot:
Eva-Mari Aro, sähköposti: evaaro(at)utu.fi, Marjaana Suorsa, sähköposti: msuorsa(at)utu.fi.

Lisätietoja:
NordForskin rahoittama pohjoismainen huippuyksikkö Turun yliopistoon, tiedote 13.12.2016

Artikkeli julkaistu 31.1.2017. In English 10.11.2016