Lignoselluloosa on yleinen biomassa, ja sen tehokas hyödyntäminen voi vähentää fossiilisten raaka-aineiden ja energian käyttöä. Sen jalostaminen on kuitenkin haastavaa. Väitöstutkimuksessa kehitettiin entsyymejä, jotka tehostavat lignoselluloosan jalostusta biopolttoaineiksi ja biomateriaaleiksi. Erityisesti lakkaasin tuotannon tehostaminen voi parantaa teollisten prosessien taloudellisuutta ja ympäristöystävällisyyttä.
Lignoselluloosa on maailman yleisin biomassan muoto, ja sitä käytetään monenlaisissa tarkoituksissa, erityisesti biopolttoaineena, biomassana energiantuotannossa sekä raaka-aineena erilaisissa biokemikaaleissa ja biomateriaaleissa, kuten biohajoavissa muoveissa tai pakkausmateriaaleissa. Lignoselluloosan tehokkaampi hyödyntäminen voi auttaa hillitsemään ilmastonmuutosta korvaamalla fossiilisia raaka-aineita ja energiaa.
Materiaalin hyödyntäminen eri käyttötarkoituksiin vaatii tehokasta hajottamista, mutta lignoselluloosan hajoaminen on kuitenkin haastavaa sen monimutkaisen polymeerirakenteen vuoksi. Hajoamisen parantamiseksi lignoselluloosaa voidaan käsitellä esimerkiksi happokäsittelyllä, entsyymeillä tai muilla kemiallisilla menetelmillä.
– Osa käsittelymenetelmistä on ympäristölle haitallisia, mutta entsyymien avulla teollisuusprosesseja voidaan tehdä ympäristöystävällisemmiksi, sillä ne vähentävät energian ja kemikaalien tarvetta samalla, kun prosessien tehokkuus kasvaa. Monet entsyymit eivät kuitenkaan kestä prosessien vaativia olosuhteita, kuten korkeita lämpötiloja, tai entsyymien tuotanto voi olla kallista, väitöskirjatutkija Veera Nikoskelainen kertoo.
Lakkaasin teollisen mittakaavan käyttö muuttui kannattavaksi
Nikoskelaisen väitöstyössä keskityttiin entsyymien geneettiseen muokkaukseen ja bioinformatiikan hyödyntämiseen niiden toimintakyvyn parantamiseksi.
Yksi yleisesti käytetyistä entsyymeistä on lakkaasi, joka on luonnostaan kestävä korkeissa lämpötiloissa ja emäksisissä olosuhteissa, mutta jonka heikko liukoisuus rajoittaa sen tuotannon tehokkuutta. Tutkimuksessa lakkaasin tuotantoa onnistuttiin tehostamaan merkittävästi, mikä mahdollistaa sen taloudellisesti kannattavan käytön teollisissa sovelluksissa. Tutkimuksessa kehitetty lakkaasi osoittautui erityisen tehokkaaksi ligniinin depolymeroinnissa, mikä on keskeistä lignoselluloosan jalostuksessa uusiutuviksi raaka-aineiksi.
– Tässä väitöskirjassa kehitetty ja kuvattu lakkaasi on ainutlaatuinen markkinoilla, sillä mikään muu sieniperäinen lakkaasi ei ole osoittanut vastaavaa lämpöstabiilisuutta ja aktiivisuutta emäksisissä olosuhteissa, Nikoskelainen kertoo.
Tutkimuksessa tarkasteltiin myös endoglukanaasia tavoitteena parantaa sen aktiivisuutta ja lämmönkestävyyttä. Bioinformatiikan avulla suunnitellut rakenteelliset muutokset lisäsivät entsyymin spesifistä aktiivisuutta ja muokkasivat sen substraattispesifisyyttä, eli kykyä tunnistaa tiettyjä lähtöaineita, mutta lämmönkestävyyden parantaminen jäi tavoitteista. Kehitettyä endoglukanaasia voidaan kuitenkin hyödyntää osana entsyymikoktailia, joka tehostaa selluloosakuitujen muokkausprosesseja.
– Jotta entsyymistä saataisiin kilpailukykyisempi vaihtoehto, sen aktiivisuutta ja tuotantoprosessin saantoa on optimoitava edelleen. Lisäksi jatkossa tutkimus voisi keskittyä myös lämpöstabiiliuden parantamiseen kohdennetun evoluution avulla, jotta saataisiin aikaan lämmönkestävämpiä variantteja, kertoo Nikoskelainen
Entsyymien kehittäminen teollisuuden tarpeisiin on keskeinen osa biotalouden kestävän tuotannon edistämistä. Nikoskelaisen väitöstutkimuksen tulokset tarjoavat uusia mahdollisuuksia lignoselluloosan hyödyntämiseen tehokkaammin ja ympäristöystävällisemmin, mikä tukee siirtymistä fossiilitaloudesta kohti kestävämpiä ratkaisuja.
Veera Nikoskelainen on kotoisin Turusta ja asuu tällä hetkellä Liedossa. Hän työskentelee vanhempana tutkijana Orionilla biologisten lääkkeiden kehityksen parissa.
Väitöstilaisuus perjantaina 11. huhtikuuta
DI Veera Nikoskelaisen väitöskirja ”Engineering Lignocellulolytic Enzymes For Industrial Applications” tarkastetaan julkisesti Turun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa perjantaina 11.4.2025 klo 12 Aava auditorium, Arcanum, Arcanuminkuja 1, Turku.
Vastaväittäjänä toimii dosentti Nina Hakulinen (Itä-Suomen yliopisto). Kustoksena toimii dosentti Jarmo Niemi (Turun yliopisto). Tilaisuus on suomenkielinen. Väitöksen alana on biokemia.
