Grants and residencies

Research

Kohti hiilineutraaleja bioteknologisia tuotantoratkaisuja; “High-throughput” -optimointityökalujen rakentaminen syanobakteerien metabolian muokkaukseen

Application summary

Synteettinen biologia on Suomessa nopeasti etenevä tutkimusala, joka soveltaa uusia käyttötarkoituksia varten elektroniikan ja insinööritieteiden ajattelumallia biokemiallisten prosessien purkamiseen ja uudelleenrakentamiseen. Purkamalla ja uudelleenrakentamalla mikrobien biosynteesireittejä voimme kantoja, jotka tuottavat kaupallisesti mielenkiintoisia biomolekyylejä. Tutkimuksemme Turun yliopiston ”Synthetic Biology of Cyanobacteria” -tutkimusryhmässä on keskittynyt synteettisen biologian osien kartoittamiseen ja optimointiin syanobakteereissa. Syanobakteerit ovat uuden sukupolven tuotantoeliöitä, jotka kasvien tapaan sitovat tarvitsemansa hiilidioksidin ilmakehästä. Koska erillistä hiilenlähdettä ei tarvita, syanobakteereihin perustuvien tuotantojärjestelmien ylläpito- ja logistiikkakustannukset ovat toisenvaraisia tuotantojärjestelmiä pienemmät, ja niitä voidaan käyttää haastavissakin ympäristöissä, kuten syrjäseuduilla, aavikoilla, napa-alueilla ja avaruusasemilla. Hiilen sitominen ilmakehästä tekee näistä tuotantojärjestelmistä kestävän kehityksen mukaisia ja potentiaalisesti jopa ilmastonmuutoksen uhkakuvia hillitseviä ratkaisuja. Väitöskirjaprojektissani yhdistän suuren määrän Turun Yliopistolla tehtyä molekyylitason tutkimusta, sekä tuoreita tutkimustuloksia muista alan tutkimusryhmistä tehokkaan, optimoidun ja tuottavan tuotantojärjestelmän rakentamiseen. Nyt suunniteltu järjestelmä koostuu seitsemästä geneettisestä koneistosta, jotka ohjaavat Synechocystis sp PCC 6803 –syanobakteerin aineenvaihduntaa vahvasti 3-hydroksybutyraatin, monissa kemiallisissa ja biokemiallisissa prosesseissa lähtöaineena käytettävän biomolekyylin tuotantoon, josta pystytään valmistamaan mm. biomuoveja, hajoavia biomateriaaleja, ravintolisiä ja monia lääkeaineita. Projekti on osa Turun yliopistossa tehtävää soveltavaan tieteeseen tähtäävää tutkimusta, jonka tarkoituksena on viedä eteenpäin Suomalaista bioteknologian osaamista ja nostaa kaupallisia intressejä alaa kohtaan.

Koneen Säätiö on rahoittanut työtäni tässä tutkimuksessa vuosina 2022 ja 2023. Näiden vuosien aikana tutkimus eteni hienosti, ja suurin osa tutkimuksen laboratoriotyöstä suoritettiin onnistuneesti. Syanobakteerien käyttö biomolekyylien tuotannossa fotosynteesin kautta on läheisessä yhteydessä YK:n Global Goals initiative:n erityisesti tavoite 13; ilmastotoimien kanssa. Hyödyntämällä syanobakteerien luonnollisia fotosynteettisiä kykyjä voimme käyttää ilmakehän hiilidioksidia raaka-aineena arvokkaiden biomolekyylien, kuten biopolttoaineiden ja biomuovien tuottamiseen samalla kun vähennämme kasvihuonekaasupäästöjä. Tämä kestävä lähestymistapa ei ainoastaan lievennä ilmastonmuutosta hiilidioksidin sitomisen kautta, vaan tarjoaa myös uusiutuvan lähteen ympäristöystävällisille materiaaleille ja polttoaineille, edistäen kestävämpää ja hiilineutraalia tulevaisuutta. Rahoituskauden alkupäässä sain viimeisteltyä GCMS-protokollan 3-hydroxybutyraatin mittaamiseen syanobakteerikasvatuksesta. Menetelmää käytettiin onnistuneesti laajan, yli 270 syanobakteerikantaa käsittävän kloonikirjaston tuotantotehokkuuden analysointiin. Kirjaston analysointiprosessiin upposi suurin osa ensimmäisen rahoitusvuoden ajasta, sillä prosessi kasvatusmaljalta GCMS-analyysiin asti vei n. 3 viikkoa jokaisen pesäkkeen kohdalla. Analyysistä saatua dataa käytettiin 3-hydroxybutyraattia tuottavan operonin translationaalisesti optimoidun entsyymitasapainon selvittämiseen, mikä on väitöskirjaprojektini tärkein yksittäinen tarkoitus ja tutkimustulos. Kirjaston analysointi onnistui loistavasti, ja valmistui odotettua aikasemmin. Toisena rahoitusvuonna projektissa suunniteltujen 3-hydroxybutyraatin tuotantoa potentiaalisesti lisäävien geenimuunnosten tekemisen kannalta välttämätön "tappokytkin" syanobakteerian genomiin saatiin valmiiksi ja toimimaan. Tappokytkintä käytettiin onnistuneesti antibioottiresistenssikasettivapaiden ΔphaEC ja ΔFlv3 -syanobakteerikantojen valmistamiseen.

Back to Grants listing