Tutkijat koostivat syanobakteereista biofilmin, jota voi hyödyntää uusiutuvien energianlähteiden kehittämisessä
Etyleeni on yksi maailman tärkeimmistä orgaanisista hyödykekemikaaleista. Apulaisprofessori Yagut Allahverdiyeva-Rinteen johtama tutkimusryhmä Turun yliopistosta on kehittänyt ohuen keinotekoisen biofilmin, johon on upotettu etyleenin fotosynteettistä tuotantoa varten kehitettyjä syanobakteerisolutehtaita. Tuotetut keinotekoiset biofilmit pystyivät ylläpitämään etyleenin tuotantoa jopa neljäkymmentä päivää.
Globaalien haasteiden, kuten ilmastonmuutoksen, energiaturvallisuuden ja luonnonvarojen ehtymisen myötä on syntynyt tarve siirtyä suoraviivaisesta fossiilipohjaisesta taloudesta kestävään biopohjaiseen kiertotalouteen. Jotta askel kiertotalouteen voidaan ottaa, tarvitaan lisäkehitystä orastaville teknologioille, jotka tuottavat uusiutuvia polttoaineita ja kemikaaleja.
Fotosynteettisissä mikro-organismeissa, kuten syanobakteereissa ja levissä, on suuri potentiaali tyydyttää uusiutuvien kemikaalien tarve sekä vähentää globaalia riippuvuutta fossiilisista polttoaineista. Kyseiset mikro-organismit pystyvät hyödyntämään aurinkoenergiaa muuttaakseen hiilidioksidin biomassaksi ja useiksi erilaisiksi energiarikkaiksi orgaanisiksi yhdisteiksi. Syanobakteerit toimivat myös elävinä solutehtaina: ne pystyvät tuottamaan haluttuja kemiallisia yhdisteitä uusien biosynteettisten reittien avulla.
Etyleeni on yksi maailman tärkeimmistä orgaanisista hyödykekemikaaleista. Sitä tarvitaan vuosittain yli 150 miljoonaa tonnia. Etyleeniä käytetään muovin, kuitujen ja muiden orgaanisten materiaalien valmistukseen.
– Tutkimuksessamme käytimme geneettisesti muokattua syanobakteeria Synechocystis sp. PCC 6803, joka tuottaa etyleeniä tuottavaa entsyymiä (EFE). Se on saatu Pseudomonas syringae-kasvipatogeenistä. EFEn läsnäolo syanobakteerisoluissa mahdollisti etyleenin tuotannon aurinkoenergian ja ilmasta saadun hiilidioksidin avulla, kertoo apulaisprofessori Yagut Allahverdiyeva-Rinne.
Etyleenillä on korkea energiatiheys, mikä tekee siitä houkuttelevan polttoaineen lähteen. Tällä hetkellä etyleeniä tuotetaan höyrykrakkaamalla fossiilisia hiilivetyjä, mikä johtaa valtaviin hiilidioksidipäästöihin. Siksi on tärkeää kehittää kestäviä lähestymistapoja etyleenin tuotantoon.
– Vaikka etyleeniä tuottavista muokatuista syanobakteereista on julkaistu aiemmin jo hyvin lupaavia tuloksia, kokonaisteho on edelleen varsin alhainen teolliseen tuotantoon. Etyleenin tuottavuus bakteereissa on kriittisin muuttuja, jotta kulut saadaan laskettua ja tehokkuus nostettua, kertoo tutkijatohtori Sindhujaa Vajravel.
Syanobakteereilla on kuitenkin myös monia tehokasta tuotantoa rajoittavia tekijöitä. Syanobakteerit kasvattavat ensisijaisesti biomassaa eivätkä niinkään haluttuja tuotteita.
– Syanobakteerisoluissa yhteyttämiskalvostoilla on valtavia fotosynteettisiä antenneja, joiden avulla lähellä pintaa olevat solut keräävät tehokkaasti valoa. Nestekasvatuksen ylimmän kerroksen solut kuitenkin varjostavat kauempana valon lähteestä olevia soluja, mikä johtaa solukasvatuksen tuottavuuden laskuun. Suurin rajoitus on se, että nestekasvatuksissa tuottoaika on hyvin lyhyt, vain päiviä, sanoo apulaisprofessori Allahverdiyeva-Rinne.
Ratkaistakseen kaksi ongelmaa – valon rajoittuneen jakautumisen sekä lyhyen tuottoajan – tutkijat vangitsivat etyleeniä tuottavia syanobakteerisoluja ohueen polymeerikalvoon. Tämä lähestymistapa rajoittaa voimakkaasti solujen kasvua ja saa tehokkaasti merkittävän osan fotosynteettisistä metaboliiteista osallistumaan etyleenibiosynteesiin. Lähestymistapa myös parantaa valon käyttöä alhaisessa valotehossa sekä edistää voimakkaasti solujen selviytymistä. Näin ollen keinotekoinen biofilmi sai aikaan vakaan etyleenin tuoton valon avulla jopa neljäksikymmeneksi päiväksi. Valon muuntaminen etyleeniksi oli 3,5-kertaista verrattuna perinteiseen solususpensiokasvatukseen.
Löydöt avaavat uusia mahdollisuuksia kehittää tehokkaita kiinteään tilaan upotettuja fotosynteettisiä solutehtaita, jotka tuottavat etyleeniä. Lisäksi löydöt auttavat skaalaamaan prosessin teolliseen mittakaavaan.
Tutkimusta rahoittavat NovoNordisk Fonden, ja Suomen akatemia (AlgaLEAF-projekti). Tutkimus on osa NordForsk Bioeconomyn rahoittamaa pohjoismaista NordAqua-huippuyksikköohjelmaa (2017–2022), jota johtaa apulaisprofessori Yagut Allahverdiyeva-Rinne Turun yliopistosta.
