Synteettinen biologia suostuttelee mikrobeja tuottamaan haluttuja aineita

Synteettinen biologia tarjoaa omat välineensä kiertotalouden ja kestävän kehityksen ratkaisuihin. Alan kehitystä on vauhditettu Suomessa noin kymmenen vuotta sitten käynnistyneellä Suomen Akatemian FinSynBio-ohjelmalla. Yksi ohjelman käynnistämistä esittäneistä oli Jussi Jäntti, joka toimii nykyään tutkimusryhmän johtajana VTT:ssä. 

Eräs synteettisen biologian sovelluksista on tuottaa haluttuja yhdisteitä elävissä soluissa. Parhaassa tapauksessa tuotantoon optimoidut solukoneistot tuottaisivat tehokkaasti haluttuja aineita esimerkiksi hankalista jätemateriaaleista. Alan haasteet ovat kuitenkin yhtä suuria kuin lupaukset. Jäntti toteaakin ohjelman alussa ilmassa olleen myös ylioptimismia.  

”Simppeli” yksisoluinen eliö on todellisuudessa erittäin monimutkainen tuotantoyksikkö, Jossa energiaa, raaka-aineita ja rakenteita siirrellään tarkoituksenmukaisesti paikasta toiseen. Ohjeet toiminnallisten proteiinien rakentamiseen tarjoavat geenit, joiden kapellimestarina toimii heikosti tunnettu säätelyjärjestelmä. Yksi haasteista on, että elämä ajaa solussa omaa agendaansa optimoiden toimintoja solua palvelevalla tavalla. Polttomoottorista poiketen elämällä on tavoite eikä se ole tietyn, ihmisen tavoitteleman yhdisteen maksimaalinen tuottaminen. Solua on vaikea saada tuottamaan mitään liikaa solun itsensä kannalta. 

– Ympäristön on oltava täysin optimaalinen, jotta solu saadaan tekemään mitään itselleen turhaa. 

Jäntti kuvailee solua teollisuuslaitoksena, josta lukuisat putket kuljettavat raaka-aineita ja lopputuotteita. Solun päätöksenteossa allokoidaan hiiliresursseja useiden eri tuotteiden valmistukseen.  

– Tavoitteena oli saada solu sulkemaan kilpailevia tuotantolinjoja ja investoimaan enemmän haluttuihin prosesseihin. 

Tehtävää ei monissa tapauksissa voi ratkaista seulomalla esiin reduktiivisesti haluttua ainetta tuottava geeni ja viemällä tämä jonkun yksisoluisen eliön pelkistettyyn genomiin. Tavoitellun aineen tuottamiseen osallistuu tyypillisesti useita eri geenejä, joiden on toimittava oikea-aikaisesti yhdessä. Haasteena on saada koko orkesteri soittamaan samaa kappaletta.

Tutkijat eivät välttämättä tiedä, millainen genomi tuottaa halutun lopputuloksen. Muokkaus voidaan tällöin jättää itse evoluution harteille altistamalla solu lopputulosta tukeville olosuhteille. Valintapaine voidaan saada tukemaan sellaisten geenien ilmentymisiä, jotka jäisivät toisenlaisessa ympäristössä marginaaliin.

– Tavoite voidaan saavuttaa vaikkemme tietäisi lähdössä, millaista genomia olemme hakemassa.  

SES – synteettinen säätelyjärjestelmä

Geenisekvensseistä on jo isot kirjastot, nyt monissa tutkimuksissa painitaan geenien ohjauksen kanssa. VTT:ssä painin tuloksena on syntynyt pieni pala synteettistä säätelyjärjestelmää. Jäntti kertoo synthetic expression system (SES) -paketista, joka on keinotekoinen geenien ilmentymisen ohjaaja. Paketti on hänen mukaansa todistettu toimivaksi useilla eri hiiva- ja homelajeilla.  

Tehtävää mutkisti se, että sama säätelyjakso voi toimia eri ympäristöissä eri tavalla. Kehittelytyön aluksi tutkittiin laajalti erilaisia mikrobeja, minkä myötä saatiin tuntumaa biologisiin ”yleisavaimiin”. Jäntti tarkoittaa näillä säätelyjaksoja, jotka ohjaavat monilla eri lajeilla tiettyjen geenien ilmentymistä.  

Kun keinotekoisesti rakennettu yleisavain viedään genomissa juuri oikeaan kohtaan, jakso toimii ”promoottorielementtinä”, mihin transkriptiofaktori kiinnittyy ja lukee halutun geenin. Tämän jälkeen solun oma koneisto lukee DNA-koodin, kääntää sen RNA-molekyyleiksi ja tuottaa lopulta halutut proteiinit. 

– Näillä yleisavaimilla monien eri lajien metaboliaa voidaan ohjata haluttuun suuntaan. 

Tekoälystä uusi työkalu 

SES:n käyttökelpoisuus edellyttää paketin kiinnittymistä genomissa oikeaan kohtaan. Hallittu kiinnittyminen on tullut mahdolliseksi melko äskettäin kehitettyjen CRISPR-geenisaksien avulla. Jäntin mukaan työkalu onkin vauhdittanut valtavasti alan kehitystä. Toisena, vasta tuloaan tekevänä mullistuksena hän näkee tekoälyn hyödyntämisen biologiassa. 

Jäntti kertoo joulun alla Nature-lehdessä julkaistuista kahdesta artikkelista, joissa kerrottiin Al:n onnistumisesta proteiinien 3D-muodon ennustamisessa.   

Geenin DNA:n ja sen pohjalta tuotetun proteiinimolekyylin 3D-muodon yhteyden selvittäminen on Jäntin mukaan äärimmäisen työlästä tai mahdotonta perinteisin tavoin. Proteiini syntyy jonona, joka laskostuu usein 3D-muodoltaan varsin monimutkaiseksi tippaleiväksi. Laskostumistapahtumaa ei ole ymmärretty riittävän hyvin.

– Tekoäly on nyt onnistunut muodon ennakoinnissa varsin hyvin omalla tavallaan.

Hahmotus perustuu siihen, että koneelle on esitelty valtava määrä eri olioissa esiintyviä proteiinien aminohappoketjuja. 

– Yhdistelemällä tietoa näiden aminohappoketjujen samankaltaisista osista ja aiemmin perinteisillä menetelmillä selvitetyistä 3D-muodoista voidaan nyt ennustaa melko luotettavasti minkä tahansa amino­happosekvenssin mahdollistama kolmiulotteinen rakenne. 

– Ihmisaivoille koneen käyttämä ratkaisumalli olisi mahdoton. 

Jussi Jäntti   

• Johtava tutkija, tutkimusryhmän päällikkö, Teknologian Tutkimuskeskus VTT
• FM Biokemia, Helsingin yliopisto, 1991
• FT Biokemia, Helsingin yliopisto, 1995
• Biokemian dosentti, Helsingin yliopisto, 2002