Tutkimuskoordinaattori Marjaana Suorsa lituruohojen kasvatushuoneessa.
 
Tutkimuskoordinaattori Marjaana Suorsa lituruohojen kasvatushuoneessa.
 
 

Ihmiskunnan energiatuotanto ei voi tulevaisuudessa perustua fossiilisiin polttoaineisiin. Suoraan auringonvalosta saatavat biopolttoaineet mullistavat energiasektorin. Ne edustavat kestävää tapaa tuottaa energiaa. Suorat biopolttoaineet syntyvät auringon valosta, vedestä ja hiilidioksidista eikä biomassaa tarvita lähtöaineena ollenkaan. Tehokkuus on suurempi – toisin kuin valmistettaessa biopolttoaineita vaikkapa puusta, ruokosokerista tai palmuöljystä. Kaiken tämän takana on fotosynteesi, happea vapauttava reaktiosarja, joka ylläpitää elämää maapallolla. Tätä tutkitaan Turun yliopistossa.

Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro on tutkinut yli 40 vuotta fotosynteesiä. Hän tuntee yhteyttämisen eli fotosynteesin monelta kannalta ja uskoo tutkimuksen tuovan kokoajan lähemmäksi suoraan auringon valoenergiasta ja ilman hiilidioksidista tuotetut biopolttoaineet. Keskeistä on se, että biomassavaihe puuttuu eli ei tarvita eloperäistä ainetta, esimerkiksi puuta, maissia eikä olkia muutettavaksi bioetanoliksi tai suoraan poltettavaksi.

Vaikka Turun molekulaarisen kasvibiologian yksikössä tunnetaan fotosynteesireitit hyvin, niin edelleen riittää tutkittavaa. Tällä hetkellä yli puolet 40 hengen tutkimusryhmästä selvittää yhteyttämisen saloja, ja loppuosa tekee soveltavaa tutkimusta. Tarkoituksena on siis tuottaa yhteyttävien pieneliöiden, kuten sinilevien eli syanobakteerien avulla ihmiselle hyödyllisiä kemikaaleja ja polttoaineita.

Fotosynteesi on kaiken elämän ylläpitäjä maapallolla. Auringon valon energia muuntuu ilman hiilidioksidin ja veden kanssa kemialliseksi energiaksi, hiilihydraateiksi, vaikkapa sokereiksi, jotka ovat oleellisia elämässä. Samalla vapautuu happea. Vihreät kasvit, levät ja syanobakteerit tuottavat itse kaiken kasvua varten toisin kuin muut eliöt. Me ihmiset olemme täysin riippuvaisia fotosynteesistä.

Elämämme riippuu täysin fotosynteesistä, happi, jota hengitämme, syömämme ruoka ja vaatteet ovat yhteyttämisen tulosta.― Tutkimuskoordinaattori Marjaana Suorsa.

Synteettinen biologia työkaluna

Synteettinen biologia tarjoaa biopolttoainetutkimukselle uusia työkaluja. Tämä moderni molekyylibiologian suunta ammentaa monen eliön perimän tuntemisesta. Muun muassa ihmisen ja tuottobakteeri E. Colin perimän emäsjärjestys on selvitetty. Eliöiden perimä koostuu erilaisista osasista. Niitä voi kutsua biopalikoiksi, ja edelleen verrata legopalikoihin, joita synteettinen biologia hyödyntää. Näitä tietoja on kerätty tietokantoihin, joita tutkijat käyvät läpi tutkimuksiinsa. Tietokannat päivittyvät kokoajan uuden tiedon myötä.

Tietyille tuotto-organismeille, kuten hiivoille, on olemassa synteettisen biologian työkalupakkeja, mutta yhteyttäville organismeille DNA-työkalupakkeja ei ole vielä juurikaan selvitetty. Tällaisia kehitellään Turun yliopiston, Aallon ja Tekesin yhteisessä Living Factories –projektissa. Turun yliopistossa synteettistä biologiaa.

Tutkija Pauli Kallio Turun yliopiston fotosynteesiyksiköstä on mukana tekemässä synteettisen biologian työkaluja. Hän vertaa synteettisestä biologiaa rakennuksilla työskentelyyn. Kun aikaisemmin tehtiin hommia vasaran ja ruuvimeisselin kanssa, niin nyt työtä vauhdittaa ja sujuvoittaa tehokas sarja sähkötyökaluja.

Synteettistä biologiaa voi ajatella työkaluna - samoin kuin matematiikassa tietokone on työkalu tai rakennuksilla naulapyssy. Nyt voimme synteettisen biologian keinoin muokata tuotto-organismeja fiksusti.― Tutkija Pauli Kallio.

”Samat molekyylibiologiset jutut voidaan toteuttaa synteettisen biologian avulla järkevämmin ja paljon nopeammin, ja koska tämä on tehokkaampaa, se on myös halvempaa, sanoo Kallio ja jatkaa: ” samassa ajassa ja samoilla resursseilla on mahdollista luoda joustavasti ja laajempi valikoima vertailtavia systeemejä. Näin onnistumismahdollisuus on parempi, ja saadaan optimaalinen systeemi eikä luonnon yritys ja erehdys –menetelmällä tarvitse hakea ratkaisua”.

Biopolttoaineita suoraan auringonvalosta

Fossiiliset ja biopolttoaineet ovat saaneet alkunsa auringon valoenergiasta. Fotosynteesin avulla syntyy kemiallista energiaa. Energiaa on eniten fotosynteesin ensimmäisissä tuotoksissa, ja energiaa menetetään aineenvaihdunnan muihin reaktioihin biokemiallisten reittien lisääntyessä. Näin kasveihin ja edelleen siitä biomassan kautta saatavaan bioenergiaan päätyy hyvin pieni osa auringon valon energiasta. Puhutaan auringon valon fotonien energian muuntotehokkuudesta kemialliseksi energiaksi.

Puussa on paljon ainesta, joka ei yhteytä. Mutta pieneliöillä ei ole näitä sivuhommia. Siksi tehokkuus on parempi.― Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro.

Jos tankkaat autoosi esimerkiksi brasilialaisesta sokeriruo’osta tuotettua etanolia, on siihen jäänyt auringon valoenergiaa noin 0,1 %. Sokeriruo’on sitomista auringonvalon fotoneista vain 0,1 % päätyy kemialliseen energiaan, eli tässä tapauksessa polttoaineeksi. Tässä luvussa on otettu huomioon koko tuotantoketju, myös kuljetukset. Tällaisilla biopolttoaineilla on siis heikko muuntotehokkuus. Turun yliopistossa tutkimuksen alla olevilla suorilla polttoaineilla auringon valon fotonien energian muuntotehokkuus kemialliseksi energiaksi on parempi. Sen arvellaan nousevan seitsemästä kymmeneen prosenttiin.

Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro tähdentää, että hukkaa syntyy kasvien ei-yhteyttävien osien tekemiseen. Mutta kun käytetään mikro-organismeja, ne eivät tarvitse samanlaisia sivuenergiavirtoja vaan biopolttoaineen tuottaminen on tehokkaampaa. Jonkin pieneliön valjastaminen tuottosysteemiksi on kestävämpää tuotantoa kuin kasveista saatavien biopolttoaineiden tuotanto.

 

Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro työhuoneessaan.
 
Akatemiaprofessori Eva-Mari Aro työhuoneessaan.
 

Aron mukaan tehokkuudesta keskustellaan jokaisessa kansainvälisessä kokouksessa, ja se aiheuttaa myös kiistoja. Joka tapauksessa suuruusluokka on toinen: suorien biopolttoaineiden fotonien muuntotehokkuus on yli kymmenkertainen kuin biomassasta saatujen polttoaineiden. Fossiiliset polttoaineet edustavat miljoonia vuosia sitten tapahtunutta fotosynteesiä, eli sellaista, joka on tapahtunut historiassa, ja näin polttoaineet ehtyvät ajan kuluessa. Kun taas reaaliaikainen online -fotosynteesi tapahtuu esimerkiksi etyleeniä tuottavassa syanobakteerissa.

Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet tehdään usein viljelykasveista, kuten sokeri- tai öljykasveista. Tämä heikentää ruokaturvaa, kun energiakasvit kilpailevat maasta ja resursseista ruoantuotannon kanssa. Toisen sukupolven biopolttoaineiden lähtöaineet taas voivat olla ruoaksi kelpaamattomia aineksia, esimerkiksi kasvijätteitä. Kolmannen sukupolven biopolttoaineet tuotetaan leväbiomassasta. Suoria aurinkobiopolttoaineita voidaan kutsua neljännen sukupolven biopolttoaineiksi.

Tuottoeliönä sinilevä eli syanobakteeri

Turun yliopiston fotosynteesiyksikössä innostuttiin syanobakteerista, kun 1990-luvun puolivälissä oli saatu selville ko. bakteerin koko perimän emäsjärjestys. Syanobakteerit ovat tehokkaita auringon valon hyödyntämisessä, koska niiden jokainen solu on fotosynteettinen. Happea tuottava fotosynteesi kehittyi 2,5 miljardia vuotta sitten syanobakteereihin ja noin miljardi vuotta myöhemmin se siirtyi kasveihin.

Tutkimuskoordinaattori Marjaana Suorsa muistuttaa, kuinka yleinen pieneliö syanobakteeri eli sinilevä on. Niitä on kaikissa vesistöissä, seinissä ja jopa jääkarhun turkissa on sinileviä. Syanobakteereilla on erinomainen hyötysuhde, ja niitä on helppo käsitellä modernein molekyylibiologisin menetelmin, jotta saataisiin haluttua hyödyllistä kemikaalia tai biopolttoainetta. Ne toimivat myös malliorganismeina kehittyneimmille yhteyttäville organismeille, tietää Suorsa.

 

syanobakteeriviljelmä kaapissa
 
Syanobakteereja eli sinileviä kasvatuskaapissa.
 

Akatemiaprofessori Eva- Mari Aro pohtii tämänhetkistä tutkimusta, jolla on kauaskantoisia vaikutuksia energiantuotantoon. Lähdetäänkö nollasta ja tehdäänkö biologinen systeemi, elävä solu, johon on viety synteettisen biologian keinoin tarvittavat biopalikat halutun lopputuotteen tekoa varten vai kehitetäänkö biopalikoista synteettinen solu biopolttoaineen tuotantoon. Vai olisiko mahdollista saada aikaan ihmisen tekemänä keinotekoinen ei-biologinen fotosynteesi? Tulevaisuus näyttää, mikä tutkimussuunta etenee parhaiten. Mutta joka tapauksessa on tarpeen saada korvattua kiireellisesti fossiiliset polttoaineet, joista tehdään myös monenlaisia teollisuuskemikaaleja.

Tutkija Pauli Kallion mielestä nyt eletään tutkimuksen kannalta kiinnostavia aikoja. Seuraavat vuodet näyttävät, miten erilaisten systeemien kaupallistaminen etenee. ” Monet skeptikot pettyvät”, uskoo Kallio.

 

Tutkija Pauli Kallio syanobakteeriviljelyjen edessä.

 

Tutkija Pauli Kallio syanobakteerien kasvatuskaapin edessä.