Kuvaaja
Laura Vesa
Kirjoittaja
Petja Partanen

Bakteeri syö jätteen polttoaineeksi

Suvi Santalan väitöskirja muutti bakteerin minitehtaaksi, pitkäketjuisia hiilivetyjä tuottamaan. Santala on Suomen ensimmäinen synteettisen biologian alalta väitellyt tutkija. Hän sai ansiokkaalla työllään TEKin ja TFiFin tämän vuoden väitöskirjapalkinnon.
 
Vuonna 2008 juuri äitiysvapaalta töihin palanneella Suvi Santalalla oli edessä mielenkiintoinen diplomityöprojekti. Neste halusi TTY:n biotekniikan tutkijoilta ”lihavia mikrobeja”.
 
– Muokkasimme mikrobeja geneettisesti niin, että ne tuottivat tehokkaammin triasyyliglyseroleja, näitä samoja yhdisteitä joita on rypsi- ja palmuöljyssä, joita käytetään uusiutuvan dieselin raaka-aineena, Santala kertoo.
 
Tästä synteettisessä biologiassa on kysymys. Levien, hiivojen tai bakteerien aineenvaihduntareittejä hyödynnetään niin, että ne saadaan tuottamaan jotakin hyödyllistä. Jos luonto ei hoida hommaa tehokkaasti, parannellaan bakteerin perimää geenejä poistamalla tai vaihtamalla pätkiä solujen DNA:sta uusiin, parempiin geeneihin. 
 
Synteettinen biologia katsoo soluja insinöörin silmin. Santala vertaa tutkimusalaansa elektroniikkaan.
 
– Geneettisten työkalujen avulla voidaan rakentaa eräänlaisia kytkimiä, geneettisiä piirejä, ja lopulta biologisia laitteita, jotka on ohjelmoitu suorittamaan ennalta määrättyä tehtävää.
 
Biologiset laitteet rakennetaan eläviin isäntäsoluihin. Tunnetuin ja eniten käytetty isäntäsolu on tasalämpöisten eläimien ruuansulatuskanavassa viihtyvä Escherichia coli -bakteeri. 
 
Tulevaisuudessa synteettisen biologian toivotaan laittavan monia teollisia prosesseja uuteen uskoon: tekevän niistä vähemmän saastuttavia sekä energia- ja raaka-ainetehokkaampia. 
 
Kiinnostava diplomityöprojekti sinetöi Santalan urasuunnitelmat kertaheitolla. 
 
– Väitöskirjan teko tuntui aika itsestään selvältä. Tutkimustyö vei mennessään.
 

Malarialääkettä, lentopetrolia

Yksi, vain kymmenen vuoden ikäinen, tieteenalan menestystarinoista on tehokas malarialoisten nitistäjä artemisiniini, jota pystytään nykyisin valmistamaan synteettisesti.
 
– Mikrobien avulla pystytään tuottamaan myös kaupallisesti lentopetroli farneseenia, joka on ominaisuuksiltaan täysin yhteensopiva nykyisten moottoreiden kanssa, mutta valmistuksessa ei tarvita tippaakaan öljyä.
 
Bakteerien valjastaminen hiilivetyjen tuotantoon on houkuttelevaa, sillä monet nykyiset biopolttoaineiden raaka-aineet ovat viljelykasveja. Auton tankissa ne ovat poissa ruuantuotannosta, tai ainakin vievät viljelyalaa ruokakasveilta. Mikä parasta, bakteereille kelpaavat ruuaksi esimerkiksi teollisuuden tai maatalouden jätemateriaalit. 
 
Santala keskittyi väitöstyössään jo diplomityöstään tuttuun isäntäbakteeriin nimeltään Acinetobacter baylyi ADP1. 
 
– Bakteerin aineenvaihdunta on erittäin mielenkiintoinen. Bakteerikanta tuottaa luontaisesti pitkäketjuisia hiilivetyjä, kuten biopolttoaineiksi soveltuvia triglyseridejä ja vahaestereitä, Santala kertoo. 
 
Väitöskirjan viisi paperia käsittelevät muun muassa jo diplomityössä tutkittua triglyseridin tuotantoa. Santala mallinsi bakteerikannan aineenvaihdunnan triglyseridin tuotannossa, ja poisti sellaisia geeniyhdistelmiä, jotka näyttivät heikentävän hiilivetyjen tuotantoa. Muokkauksen tuloksena triglyseridituotanto parani viisinkertaiseksi. 
 
Väitöskirjansa parhaana paperina Santala pitää vuonna 2014 ilmestynyttä julkaisua, jossa ADP1-bakteerikanta pantiin töihin tuottamaan vahaestereitä. Luonnosta vahaestereitä saadaan aavikoilla elävästä jojoba-kasvista ja uhanalaisista valaslajeista.
 
– Vahaestereitä käytetään arvokkaana lisäaineena esimerkiksi kosmetiikassa. Ominaisuuksiltaan ne olisivat hyviä esimerkiksi moottoriöljyihin tai lyhyemmiksi hiilivedyiksi krakattuna polttoaineeksi, mutta saatavuus on nykyisin hyvin rajallista, Santala kertoo.

– 90-vuotias mummuni Aino Hietala on ollut kaikkein kiinnostunein tutkimustyöstäni. Väitöstilaisuudessakin hän istui eturivissä, Suvi Santala kertoo.

 
Hänen tutkimansa bakteerikanta tuottaa vahaestereitä jo luonnostaan. 
 
– Mutta vain tietyissä oloissa, ja tietynlaisia. Me halusimme bakteerista sellaisen ohjelmoidun systeemin, jonka tuotto voidaan käynnistää haluttaessa. 
 
Lisäksi lopputuotteen ominaisuuksia haluttiin muokata, ja tuottoa lisätä. 
 

Leikkaa ja liimaa DNA:ta

Synteettisen biologian tutkijat lähtevät kehittämään uutta tuotanto-organismia tietokantojen avulla. Alan tutkimustulokset ja kehitetyt standardipalikat, käytännössä DNA-pätkät, on tapana jakaa koko tutkijayhteisön kesken. 
 
– Tiettyä funktiota koodaavat DNA-pätkät ovat pääosin peräisin luonnosta, mutta niitä voidaan muokata ja rakentaa myös synteettisesti ja yhdistellä täysin uudella tavalla. Voi sanoa että synteettisessä biologiassa vain luovuus on rajana, Santala kertoo. 
 
Hän keksi hyödyntää hiilivetyjen tuotannossa erästä ”palikkaa”, kolmen geenin yhdistelmää, joka luonnossa toimii aivan toisessa tarkoituksessa.
 
Kun perimän parantelu on suunniteltu teoriassa, päästään käsiksi käytäntöön. Uudet geenit sisältävät DNA-pätkät pitää saada osaksi bakteerien perimää. 
 
– Käyttämämme bakteeri on loistava synteettisen biologian isäntä, koska sillä on kaikki edellytykset tehdä tämä korvaus itsestään. Käytännössä syötämme bakteeria oikeanlaisella geenikasetilla. Kun DNA on mennyt solun sisään, solu hoitaa sen itse paikalleen osaksi perimäänsä. 
 
Lopputulos selviää varsinaisessa bakteerikasvatuksessa, jossa muunneltuja isäntäsoluja on miljardeja. Usein seuraa paluu takaisin lähtöruutuun. 
 
– Kokeet menevät harvoin kerralla putkeen. Yleensä joudutaan tekemään muutoksia, esimerkiksi poistamaan uusia geenejä. 
 
Laboratorioon on välillä pitänyt ottaa makuupussikin mukaan. 
 
– Professorimme Matti Karpin lempisanonta on: ”Bakteerit eivät noudata toimistotyöaikoja”, Santala nauraa. 
 
Lopulta sinnikäs yritys- ja erehdys -menetelmä kuitenkin tuotti tulosta, ja oma suosikkipaperi saatiin julkaistua.
 
– Teimme synteettisiä vahaestereitä, ja saimme muokattua niiden ominaisuuksia haluttuun suuntaan, Santala kertoo. 
 
Mikä on tärkein tulos koko väitöskirjatyössä?
 
– Kyllä se on se, että jos synteettistä biologiaa halutaan hyödyntää eri aloilla, on pakko laajentaa isäntäorganismien kirjoa. Väitöskirja on osoitus siitä, että synteettistä biologiaa voidaan tehdä muillakin kuin E. coli -bakteerilla tai hiivoilla. 
 
Itse väitöskirja syntyi aikamoisella vauhdilla, varsinkin kun Santala oli kesken tutkimustyön puolitoista vuotta äitiysvapaalla. Tässä auttoi se, että toinen väitöskirjan ohjaajista oli oma aviomies Ville Santala.
 
– Pääsin äitiyslomalta välillä karkaamaan tutkimuksen pariin. 
 

Tervetuloa MIT:hin!

Ryhmää vetävän professori Matti Karpin, apulaisprofessori Ville Santalan ja tutkijatohtorina työskentelevän Suvi Santalan lisäksi TTY:llä synteettisen biologian ongelmiin pureutuu toinenkin postdoc-tutkija, kolme väitöskirjan tekijää ja muutama diplomityöntekijä. 
 
– TTY:n tutkijoiden valtti on innovointi ja luovuus, Santala arvioi. 
 
Pienen ryhmän onkin vaikea kilpailla maailmanluokan labrojen kanssa resursseilla. Synteettisessä biologiassa raha nopeuttaa tutkimusta, kun esimerkiksi DNA-rakenteita voi tilata valmiiksi syntetisoituna.
 
Alansa ensimmäinen suomalaisväitös näyttää herättäneen kiinnostusta myös muualla maailmassa. TTY:n tutkijat virittelevät yhteistyötä esimerkiksi espanjalaisen National Centre of Biotechnology kanssa. Sen johtaja Victor de Lorenzo on alan ykkösnimiä Euroopassa. 
 
Onpa Suvi Santalan pöydällä myös kutsukirje MIT:hin. 
 
– Jos rahoitus järjestyy, voisin mennä jatkamaan tutkimusta sinne. MIT:ssa työskentelee metaboliamuokkauksen isähahmo Gregory Stephanopoulos. Hän on alan suuria nimiä, Santala kertoo.
 
Rahoitustakin on haettu, mutta päätöksiä saa vielä odottaa.
 
Silloin USA:han muuttaisi sitten koko perhe?
 
– Niin varmaan pitäisi tehdä. En ole uskaltanut hirveästi suunnitella. Kilpailu rahoituksesta on aika julmaa. Mutta vierailujakso ulkomailla on kyllä tarpeen tällä uralla.  
 
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina? 
”Haluaisin lisätä ihmisten tietoisuutta uusien teknologioiden mahdollisuuksista, ja saada heidät luopumaan perusteettomista peloista, jotka puhuvat faktatietoa vastaan. Yleiset asenteet ja mielipiteet nimittäin vaikuttavat yllättävän paljon uusien tekniikoiden soveltamiseen käytäntöön, usein valitettavasti hidastavasti.”
 
Lempiharrastus
Vaeltaminen, matkustelu ja lasten kanssa touhuilu.
 
Suosikkileikkikalu
Kynä. ”Ajatukset ja ideat kulkeutuvat edelleen paremmin paperille kuin näytölle.”

 

Geenimuuntelussa jylläävät tunteet

– Ihmiset luottavat omiin mielikuviinsa enemmän kuin tutkittuun tietoon. Se harmittaa välillä, Suvi Santala huokaisee. 
 
Ruuantuotannon ympärillä vellovaa keskustelua geenimuuntelusta leimaavat suuret tunteet. Luonnollisuuden käsitettä käytetään surutta, vaikka esimerkiksi nykyiset ”luonnolliset” maissi- ja banaanilajikkeet ovat kasvinjalostuksen ansiosta kaukana taannoisista esikuvistaan. Vuosisatojen takaisia lajeja tuskin kelpuutettaisiin enää ihmisravinnoksi. 
 
Geneettinen muuntelu on tutkijan mielestä paljon perinteistä kasvinjalostusta hienostuneempaa.
 
– Sen sijaan että risteyttäisimme sattumanvaraisesti kymmeniätuhansia geenejä, nyt voidaan lisätä tai poistaa juuri se yksi merkityksellinen geeni.
 
Santalan oma tutkimus yksisoluisten bakteerien parissa ei ole herättänyt suuria intohimoja – paitsi omassa mummossa, jolle väitöskirjakin on omistettu. 
 
– 90-vuotias mummuni on ollut kaikkein kiinnostunein tutkimustyöstäni. Hänelle olen saanut selittää tiedettä juurta jaksaen. Väitöstilaisuudessakin hän istui eturivissä, Santala kertoo.  
 
Tutkijan toive on, että synteettisen biologian menetelmien lupaukset saadaan tulevaisuudessa lunastettua.
 
– En odota mitään yksittäistä läpimurtoa, vaan sitä että menetelmät saadaan kannattaviksi ja kaupalliseen käyttöön. 

 

Asiasana