Euroopa teadusgrant hõlbustab mikroobsete rakuvabrikute abil kasulike kütuste ja kemikaalide tootmist

Tartu Ülikooli gaasfermentatsiooni tehnoloogiate kaasprofessor Kaspar Valgepea asub Euroopa Teadusnõukogu grandi toel avardama arusaamist heitgaase söövatest bakteritest. Kavas on luua uudne meetod suure hulga rakutüvede geneetiliseks muundamiseks ja panna kokku teadmuskogu, mis kiirendab nii rakuvabrikute loomist, biotehnoloogia valdkonna teadustöö arengut kui ka ringmajandust toetavat teadmussiiret.

Atsetogeensed bakterid on mikroorganismid, kes on võimelised sööma nii heitgaase kui ka gaasistatud orgaanilisi jäätmeid, seejuures ka kõige tavalisemat olmeprügi. Kui looduses esinevad bakteritüved suudavad toota üksikuid kasulikke ühendeid, siis bioinseneeria meetoditega bakteritüvede ainevahetuse ümberkujundamisel võiks selline gaasidega söödetud atsetogeen toota kütustes ja kemikaalides vajalikke ühendeid efektiivsemalt ning märksa suuremas valikus. Seda protsessi nimetatakse gaasfermentatsiooniks. Tegemist on tehnoloogiaga, mis on maailmas juba ka tööstuslikus kasutuses, kuid seni veel peamiselt etanooli tootmisel. 

Bakteri lahendamata mõistatus 

Atsetogeensete bakterite senise kasutuspiiratuse üks põhjusi on vähesed teadmised selle kohta, millised geenid milliseid protsesse täpselt mõjutavad. Kuna tegemist on hapnikuta keskkonnas elavate bakteritega, kes söövad mürgiseid ja plahvatusohtlikke gaase, on nende uurimine keeruline. Seni on uute geneetiliselt modifitseeritud rakutüvede loomine käinud sisuliselt käsitööna ühekaupa ja olnud väga aeganõudev. Nii pole uuritava atsetogeense bakteri (Clostridium autoethanogenum) umbes 4000 geenist enamiku puhul ikka veel selgust, mida need täpselt teevad. 

Samal põhjusel on puudus ka ülevaatlikust andmekogust, kus kirjeldataks, kuidas mõjutab eri geenide muutmine bakteri fenotüüpe mitmel tasandil. Valgepea sõnul on selliseid andmekogusid loodud vaid üksikute enimuuritud mikroorganismide, näiteks soolekepikese Escherichia coli või pagaripärmi kohta. Isegi nende puhul kirjeldatakse andmekogudes ligi 160 tüve.

Mõju kogu biotehnoloogia tulevikule 

Valgepea projekti uudsus seisneb selles, et viie aasta jooksul on kavas luua ligi 750 muundatud bakteritüve ja koondada selle käigus kogutud andmed ja varasem atsetogeenide kohta käiv sarnane teave avalikku teadmuskogusse (A-BASE). Loodav tüvede geneetilise muundamise meetod sobiks ka teiste mikroorganismide jaoks, tänu millele on projektist oodatav mõju märkimisväärne kogu mikrobioloogia, sünteetilise bioloogia ja biotehnoloogia valdkondadele nii teaduses kui ka tööstuses. 

Image

Valgepea arendatava meetodi eripära on see, et suuremahulise rakutüvede kogu loomise kõrval soovitakse leida võimalus ka nende kasvatamiseks ja uurimiseks üksteisest eraldatult. Muudetavate geenide väljavalimisel keskenduvad teadlased kolmele tunnusele, mille uurimine on teiste bakteritüvede puhul olnud suure mõjuga. Nii on vaatluse all bakterite kasvuks hädavajalikud geenid, DNA transkriptsiooni mõjutavad tegurid ning valkude „tumeaine“, millel on bakteri ainevahetuse ümberkujundamisel märkimisväärne roll. Nende tunnuste uurimisel kogunevate andmete põhjal on võimalik andmekaeve ja masinõppe toel leida varasemast kiiremini kõige sobivamad mutatsioonid, et atsetogeensed rakuvabrikud saaksid toota senisest rohkem ja tõhusamalt ühendeid, mille tootmisel oleks traditsioonilises keemiatööstuses märkimisväärne keskkonnajälg. 

„Maailmamajanduse keskkonnamõju vähendamisel on põhiküsimus see, kuidas võtta süsiniku kaevandamise asemel seda ringlusse. McKinsey instituudi andmeil on ligi 60% maailmamajanduses kasutatavast toormest võimalik toota läbi bioloogiliste süsteemide. Minu projektil on sellesse panustava ühe tehnoloogia – gaasfermentatsiooni – arendamisel märkimisväärne mõju,“ selgitas Valgepea, kelle juhtida on Tartu Ülikooli bioinseneeria instituudis üks vähestest laboritest maailmas, kus sellist projekti suudetaks ellu viia. 

Euroopa Teadusnõukogult saadud väljakujunenud teadlase grandi suurus on veidi üle kahe miljoni euro. Projekt vältab viis aastat.