Biotalouden tulevaisuuden tekijät osa 2: Biosynteettinen hämähäkkisilkki – tulevaisuuden supermateriaali?

Blogi - Julkaistu 17.12.2020

Hämähäkin seitin silkki on yksi sitkeimmistä luonnosta löytyvistä aineista. Se on tiedemiesten ihailema materiaali, jossa yhdistyy poikkeuksellisella tavalla joustavuus ja kovuus. Ihmisen valmistamat materiaalit ovat usein joko jäykkiä tai joustavia, mutta harvoin molempia. VTT:llä ja The Centre of Young Synbio Scientist -tutkimusyhteisössä työskentelevä tutkija Pezhman Mohammadi on jo vuosia tutkinut biosynteettistä laboratoriossa tuotettua silkkiä. Hämähäkkien kasvatus silkintuotantomielessä on lähes mahdotonta, sillä ne eivät ole kovin tuottavia ja lisäksi ne käyttäytyvät tunnetusti hyvin aggressiivisesti toisiaan kohtaan omaa aluettaan puolustaessaan. Synteettisen biologian avulla silkkiä tuottava proteiini voidaan kuitenkin siirtää hämähäkistä suotuisampaan tuotantoisäntään, kuten bakteeriin, hiivaan, sieneen tai homeeseen.

Luontoa matkien

Sekä VTT:llä että Aalto Yliopistossa tehdään arvokasta tutkimustyötä biosynteettisen hämähäkin seitin kehittämisessä. Professori Markus Linder johtaa tutkimusta Aallon biomolekyylimateriaalit ryhmässä: “Me emme voi laittaa hämähäkin DNA:ta sellaisenaan bakteeri-isäntään, sitä täytyy muokata monista syistä. Yksi on se, että hämähäkin DNA on liian isoa. Sen lyhentäminen vaikuttaa myös syntyvään proteiiniin, joka näin ollen eroaa alkuperäisestä“, selventää Linder. Kun oikeanlainen geeni saadaan lisättyä mikro-organismiin ja tuotantoprosessi toimimaan, synteettistä silkkiproteiinia voidaan tuottaa mahdollisesti jopa teollisen tuotannon edellyttämiä määriä.

Proteiinien muokkauksen monet mahdollisuudet

Mutta synteettisen biologian tutkijat eivät tyydy tähän. “Voimme mennä vielä askeleen pidemmälle kuin hämähäkin seitin evoluutio. Kun mietimme toivottuja ominaisuuksia, voimme muuntaa silkkiproteiinia tuottamaan täysin uudenlaisia materiaalia erilaisiin lääketieteen ja teollisuuden sovelluksiin.”, sanoo Pezhman, joka hiljattain tutki juuri näitä mahdollisuuksia VTT:n ja Aalto Yliopiston yhteishankkeessa, jossa kehitettiin hämähäkkisilkkipohjainen komposiittimateriaali. Tutkijat yhdistivät nanoselluloosan ja hämähäkkisilkkiproteiinin tavoitteenaan parantaa materiaalin lujuutta ja joustavuutta. Nanoselluloosa, joka tässä tapauksessa oli peräisin koivusta, on äärimmäisen hienorakenteinen nanokokoisista selluloosafibrilleistä koostuva aine. Tutkijat asettivat näitä kuituja jäykäksi matriisiksi, johon lisättiin elastista biosynteettistä silkkiä. Tuloksena syntyvä materiaali on hyvin ainutlaatuinen, vahva ja kestävä. Tämän kaltaisille materiaaleille on valtavasti potentiaalisia käyttömahdollisuuksia. Näistä lähimpänä toteutumista ovat esimerkiksi erilaiset lääketieteen sovellukset kuten kirurgiset materiaalit. ”Tutkimuksemme on esimerkki proteiinien muokkauksen uusista ja monipuolisista mahdollisuuksista. Tulevaisuudessa voimme tuottaa samanlaisia komposiitteja hieman erilaisilla rakennuspalikoilla ja saavuttaa toisenlaisia ominaisuuksia muihin käyttötarkoituksiin.”, sanoo Pezhman. Näiden uusien materiaalien yksi merkittävä hyöty on se, että ne ovat aidosti biohajoavia, eivätkä siten tuota mikromuoveja kuluessaan. Lisää hankkeesta voi lukea tutkimusartikkelista Science Advances -lehden sivuilta.

Kestäviä vaihtoehtoja

Biohajoavien materiaalien tutkimus ja kehitys on linjassa useiden YK:n kestävän kehityksen tavoitteiden kanssa, joihin Suomikin on sitoutunut. Se edistää muun muassa kestävää teollistumista ja innovaatioita, kuten tavoite 9 linjaa. Kehittämällä fossiiliselle materiaalitaloudelle vaihtoehtoja me vahvistamme ja luomme myös mahdollisuuksia kestävälle kuluttamiselle (tavoite 12) ja tuotantomalleille. Lisäksi meriekosysteemien turvaaminen vaatii kiireellisiä toimia maailman muovijätteen kuormituksen vähentämiseksi. Kokonaisuuden kannalta on hyvä myös muistaa, että biomateriaalit, biotalous ja synteettinen biologia ovat oiva lisä niiden välineiden valikoimaan, joilla torjumme ilmastonmuutosta.