Biotalouden tulevaisuuden tekijät osa 7: Sirkkaäyriäisen raajan inspiroima uusi supermateriaali
Blogi - Julkaistu 4.11.2021
VTT:n tutkija Pezhman Mohammadi on tutkimusryhmänsä kanssa kehittänyt uudenlaisen nanokomposiitin koivun selluloosasta, hydroksiapatiitista ja synteettisen biologian keinoin muokatuista proteiineista. Inspiraatio uuteen kevyeen, mutta äärimmäisen kestävään, materiaaliin löytyi luonnosta.
Oppia evoluution mestariteoksista
Trooppisissa vesissä elävä sirkkaäyriäinen on hämmästyttävä olento. “Kiehtovat sirkkaäyriäiset ovat yksi tappavimmista luontokappaleista. Pieneen kokoonsa nähden niillä on eläinkunnan voimakkain isku. Ne murskaavat saaliinsa voimakkailla, nopeilla iskuilla vasaraa muistuttavilla eturaajoillaan”, kertoo Mohammadi. “Kovakuoriset merenelävät, kuten ravut, ovat sirkkaäyriäisten ensisijaista ravintoa. Päästäkseen käsiksi ravitsevaan sisukseen niiden on lävistettävä saaliinsa ulkoinen, kova tukiranka.”
Sirkkaäyriäisten raajojen rakenne koostuu kerroksittain järjestäytyneistä materiaaleista, joiden kovuus vaihtelee. ”Raajassa on pehmeä, iskuja vaimentava sisäkerros sekä kova ja iskunkestävä ulkokerros. Sisä- ja ulkokerros koostuvat samankaltaisista elementeistä, mutta niiden suhteellinen osuus, polymorfinen muoto ja järjestys vaihtelevat eri kerroksissa. Keskeisin elementti on kierteisesti järjestyneet kitiininanofibrillit, jotka kiinnittyvät toisiinsa proteiinien muodostaman matriisin avulla”, Mohammadi selventää.
Proteiineja muokkaamalla entistä parempia ominaisuuksia
Sirkkaäyriäisen raajan monimutkaisesta, mutta tehokkaasta rakenteesta inspiroituneena tutkimusryhmä kehitti uuden komposiitin selluloosan nanokiteistä ja kahdesta geenimuunnellusta proteiinista. Toinen proteiineista muokattiin vahvistamaan materiaalin lujuutta ja toinen edistämään hydroksiapatiittikiteiden muodostumista. Uudesta nanokomposiitista valmistettiin hankkeessa hammasimplanttien kruunuja, joiden rakenne jäljittelee ihmisten hampaita. Niistä tuli vahvempia ja kevyempiä kuin perinteisistä teknisestä keramiikasta valmistetuista implanteista.
Tällä uudella edistyksellisellä biomateriaalilla on paljon mahdollisia käyttökohteita. Sen ainutlaatuisia ominaisuuksia voidaan hyödyntää esimerkiksi iskunkestävissä implanteissa, urheiluvälineissä, luotiliiveissä, ilma-alusten rungoissa, elektroniikassa, fotoniikassa tai tuulilasien pinnoituksissa. Proteiinien geneettinen muokkaus tarjoaa tulevaisuudessa mahdollisuuksia tuoda materiaaliin myös muita haluttuja ominaisuuksia. Tulevat sovellukset edellyttävät kuitenkin vielä tuotannon skaalautuvuuden ja prosessien kehittämistä.
Tutkimusryhmän tulokset esiteltiin 1.9.2021 Advanced Materials -tiedejulkaisussa. Kaksi ja puoli vuotta kestänyt hanke toteutettiin yhteistyössä Nanyangin teknisen yliopiston kanssa VTT:n ja Jenny ja Antti Wihurin rahaston rahoituksella professori Merja Penttilän johtamassa Centre for Young Synbio Scientists (CYSS) -tutkimusyhteisössä.
Agenda 2030
Uudenlaisten biopohjaisten materiaalien tutkimus ja kehitystyö edistävät osaltaan siirtymää fossiilipohjaisesta taloudesta bio- ja kiertotalouteen. Siten ne tukevat myös YK:n kestävän kehityksen tavoitteita 9 ja 12, jotka tähtäävät muun muassa teollisuuden, innovaatioiden sekä kulutus- ja tuotantotapojen kestävyyden lisäämiseen.
Lue lisää artikkeleita samasta kestävän kehityksen tavoitteesta:
Biotalouden tulevaisuuden tekijät
Biotalouden tulevaisuutta rakennetaan nyt. Tässä blogisarjassa esittelemme kestävän kierto- ja biotalouden uraauurtavaa tutkimusta sekä tutkijoita sen taustalla. Miten synteettinen biologia, uuden sukupolven biomateriaalien tutkimus ja korkeamman jalostusarvon uudet lignoselluloosapohjaiset ratkaisut pohjustavat tietä kestävämpään tulevaisuuteen? Tervetuloa kulisseihin tapaamaan loistavia nuoria tutkijoitamme, jotka työskentelevät ratkaistakseen aikamme polttavimpia kysymyksiä.