LEVÄ. Lääkkeeksi ja auton tankkiin. LEVÄT TUOTTAVAT VIHERHIUKKASILLAAN RAAKA- AINETTA MONEEN LÄHTÖÖN.

Transkriptio

1 LUONTO LEVÄT LEVÄT TUOTTAVAT VIHERHIUKKASILLAAN RAAKA- AINETTA Lääkkeeksi ja auton tankkiin. MONEEN LÄHTÖÖN. LEVÄ Levä voi olla niljakas lautta, joka pilaa uimavedet, mutta tutkijoille levät ovat paljon muuta. Levä on monipuolinen biotehdas, joka tuottaa auringonvalosta, vedestä ja hiilidioksidista melkein mitä vain. Levät voidaan ohjelmoida tuottamaan syöpälääkettä tai vaikka... Kosmetiikkaa Levät tuottavat luonnostaan astaksantiinia ja beetakarotiinia, joita käytetään muun muassa ryppyvoiteissa. Levät tuottavat myös alginaattia, jota käytetään joissakin kosteusvoiteissa ja huulirasvoissa. SCIENCE PHOTO LIBRARY

2 Teksti: Jonas Grosen Meldal Print: stkp Status:750 - Sprog godkendt Layout:GUL Red.sek: MKP Hajuttomia kenkiä Juoksukengissä käytetään levien tuottamia aineita pohjallisten vaahtomuovissa. Pohjalliset pehmentävät jalkaan tulevaa iskua. Samalla levävaahto estää pahanhajuisten bakteerien kasvua hikisissä kengissä. Öljytöntä asfalttia Levien aineenvaihdunnan jätöksistä voidaan valmistaa asfalttimaista mustaa, paksua ja vettä hylkivää massaa. Muuntogeenisten levien tuottamasta ligniinistä voidaan valmistaa bioasfalttia. Nieltäviä rokotteita Kun leviin siirretään oikeat geenit, ne saadaan tuottamaan rokotteita. Kehitteillä on myös levistä valmistettavia syötäviä rokotteita, jotka eivät aiheuta potilaassa samanlaisia pelkoja kuin pistokset. Puutonta paperia Tavallisesti paperin valmistukseen tarvittavaa selluloosaa tehdään puusta, jota ei aina tuoteta ympäristöä säästävin menetelmin. Kehitteillä on tekniikka, jolla levät voidaan panna tuottamaan selluloosaa. SHUTTERSTOCK Tieteen Kuvalehti 49

3 LEVÄT Yunnanin maakunnassa Etelä- Kiinassa levänkasvatus on teollisuutta. Loputtoman näköinen putkirykelmä tuo kaukaa katsottuna mieleen viiniköynnökset, mutta kyseessä on maailman suurin levien ylläpitämä biotehdas. Tehdasmaista leväviljelmää pyörittää kiinalaisyhtiö BGG (Beijing Gingko Group) neliömetrin laajuisessa laitoksessa kasvatetaan niin sanotuissa bioreaktoreissa Haematococcus pluvialis -punalevää. Levien kasvatusneste virtaa lasiputkissa, jotta jokainen levä saa juuri oikean määrän auringonvaloa ja hiilidioksidia. Tehtaan varsinainen tuote on levien erittämä astaksantiini, jota käytetään muun muassa ravintolisissä ja kosmetiikassa. Tulevaisuudessa levät tuottavat paljon muutakin. Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaisesti, leväviljelmillä kasvaa pian muun muassa syöpälääkettä. Levät saavat kasvin geenit Levät ovat yksisoluisia eliöitä, joita enimmäkseen esiintyy merissä. Ne tuottavat tarvitsemansa energian yhteyttämällä. Yhteyttäminen eli fotosynteesi on elämän kannalta tärkeimpiä biologisia prosesseja. Yhteyttävät eliöt muuttavat auringonvaloa ja hiilidioksidia hiilihydraattipitoisiksi yhdisteiksi, jotka ovat lähes kaikkien maailman eläinten ravinnon perusta. Tutkijat ovat yrittäneet selvittää levien yhteyttämiskykyä jo ainakin sata vuotta. Nyt levien aineenvaihdunta ja biologia tunnetaan niin hyvin, että ne osataan ohjelmoida tuottamaan erilaisia arvokkaita aineita. Kun leviin siirretään oikeat geenit, ne saadaan tuottamaan runsain mitoin sellaisia aineita, joita kasvit luonnostaan tuottavat vain niukasti. Yksi esimerkki ovat terpenoidit, jotka tuhoavat syöpäsoluja. Levä lyö syöpäsolut Terpenoidien molekyylirakenne on poikkeuksellisen monimutkainen, ja siksi niitä on vaikeaa valmistaa laboratoriossa synteettisesti. Kun terpenoideja tuottavien kasvien geenit siirretään levien solujen tumaan, levät voidaan panna tuottamaan terpenoideja. Yksi kasviperäisistä terpenoideista on ingenolimebutaatti, joka vaikuttaa lupaavalta lääkkeeltä ihosyövän hoitoon. Sitä on luonnostaan Suomessakin rikkakasvina esiintyvän kolmisädetyräkin maitiaisnesteessä. Tutkijat yrittävät nyt tunnistaa tyräkin dna:sta ne geenit, jotka säätelevät ingenolimebutaatin erittymistä ohjaavia entsyymejä, ja siirtää ne levän solutumaan. Levässä syöpälääkettä voitaisiin tuottaa paljon suurempia määriä kuin tyräkissä. Ennen kuin levästä saadaan syöpälääketehdas, se on ohjelmoitava tarkasti. Siinä on vielä työtä, sillä tutkijat eivät ole toistaiseksi löytäneet keinoa, jolla jokainen yksittäinen levä saadaan tuottamaan mahdollisimman paljon ingenolimebutaattia. Lisäksi tarvitaan tehokas menetelmä, jolla aine voidaan eristää levistä. Ympäristö kiittää Vaikka tutkimus on keskittynyt syöpälääkkeisiin, levätehtaiden tuotevalikoima voisi olla paljon laajempikin. Laihdutuslääkkeenä käytetty forskoliini, joka alun perin on CLAUS LUNAU/SHUTTERSTOCK DNA Geenit siirretään levään 2 Lääkekasvin geenit siirretään levän solun tumaan, joka alkaa tuottaa kahdenlaisia entsyymejä. Dna tuottaa lääkettä Lääke kasvin 1 geenit tuottavat entsyymejä, jotka saavat kasvin tuottamaan syöpäsoluja tuhoavia terpenoideja. Kasvi-dna Tuma SHUTTERSTOCK Pulloja ja putkia Muuntogeeniset levät tuottavat etyleenikaasua, josta voidaan valmistaa polyetyleeniä. Siitä taas voidaan tehdä lähes mitä tahansa muovituotteita pulloista polyesteritekstiileihin, suihkuverhoihin ja vesiputkiin. Eläimetöntä karkkia Levistä valmistettava agarhyytelöimisaine voi korvata eläinperäisen liivatteen makeisissa ja kosmetiikassa. Liivate eli gelatiini on proteiinia, joka valmistetaan sikojen ja nautojen nahkasta ja luista keittämällä. Uusia lääkkeitä Leviä on monenlaisia, ja niitä esiintyy hyvin monenlaisissa olosuhteissa. Siksi niillä voidaan myös tuottaa hyvin monenlaisia aineita. Todennäköisesti tulevaisuudessa yhä useampi lääke onkin peräisin levästä. 50 Tieteen Kuvalehti

4 Aurinko käynnistää levän Levän varsinainen tehdas on viherhiukkasessa, jossa se tuottaa yhteyttämällä energiaa ja valmistaa auringonvalon ja entsyymien avulla erilaisia aineita. Jotta levä pystyisi tuottamaan haluttuja aineita, kuten syöpälääkkeeksi kaavailtuja terpenoideja, se tarvitsee reseptin siitä, miten niitä tehdään. Reseptinä toimivat geenit, jotka siirretään leväsolujen tumaan. Siirrettävät geenit saadaan kasvista, jossa terpenoideja syntyy luonnostaan tosin hyvin pieniä määriä. Kun geenit on siirretty levän tumaan, ne alkavat tuottaa entsyymejä, jotka yhdessä leväsolujen muiden kemikaalien Entsyymi muuttaa molekyylin Toinen entsyymi 3 kulkeutuu levän viherhiukkaseen. Siellä se muuttaa levän luontaisen GGDP-molekyylin terpeeniksi (T1), joka on terpenoidin esiaste. Yhteyttäminen käynnistyy Myös toinen 4 entsyymi menee viherhiukkaseen, missä se käynnistää yhteyttämisen. Elektroni kanssa panevat levän tuottamaan terpenoideja samalla tavalla kuin kasvisolut mutta runsaammin. Entsyymien pitää ensin päästä levän viherhiukkasiin, missä yhteyttäminen tapahtuu. Siksi entsyymeihin liitetään aminohapoista koostuva signaalisekvenssi, jonka perusteella entsyymi ohjautuu oikeaan paikkaan. Viherhiukkasessa entsyymit alkavat tuottaa terpenoideja ja jatkavat työtä niin kauan kuin auringonvaloa riittää. Yhteyttäminen Auringonvaloa Elektronit liikkeelle Kun auringonvalo käynnis- 5 tää yhteyttämisen, entsyymeihin kulkeutuu valoherkkiä elektroneja. Print: stkp Status:750 - Sprog godkendt Layout:GUL Red.sek: MKP Entsyymi 1 T1 GGDP Entsyymi 2 Terpeenistä terpenoidiksi Auringon aktivoimat 6 entsyymit viimeistelevät reaktion, jossa terpeeni muuttuu terpenoidiksi (T2). T2 Solulima Viherhiukkanen Lääke talteen 7 Terpenoidi eristetään levästä, ja siitä valmistetaan syöpälääkettä.

5 LEVÄT valmistettu etiopianliisukka-nimisen (Coleus forskohlii) kasvin juurista, on terpenoidi, jota jo nyt tuotetaan suurissa laitoksissa muuntogeenisillä levillä. Myös malarialääke artemisiini, jonka vaikuttava aine löydettiin kiinalaisesta kesä marunakasvista (Artemisia annua), on monimutkainen terpenoidi. Sen tuottaminen levien avulla on jo suunnitteilla. Kesämarunaa on vaikeaa viljellä laajamittaisesti, ja artemisiini on tuhoisa paitsi malarialoisiolle myös monille hyönteisille. Siksi isot marunaviljelmät voivat olla haitallisia ympäristölle. Artemisiinia tuottava levätehdas olisi ympäristöystävällisempi vaihtoehto. Aurinko antaa puhtia biotehtaalle Levätehtaan toiminta vaatii paljon energiaa. Kasvien tavoin levissäkin on viherhiukkasia, joissa yhteyttäminen tapahtuu auringon säteilyenergian avulla. Kun auringonsäteet osuvat viherhiukkasiin, niissä aktivoituu elektroneja. Elektronit käynnistävät joukon kemiallisia reaktioita, jotka muuttavat auringon säteilyenergian kemialliseksi energiaksi eli sokereiksi. Nyt on löydetty menetelmä, jolla valoon reagoivien elektronien avulla voidaan käynnistää sokerintuotannon sijaan entsyymejä valmistava reaktio. Entsyymit puolestaan panevat levän tuottamaan lääkeaineita. Lääkeaineita tuottavat entsyymit ovat peräisin kasveista, eikä niiden siirtäminen levän solujen viherhiukkasiin ole ollut aivan vaivatonta. Ratkaisuksi löydettiin aminohapoista koostuva signaalisekvenssi. Kun se liitetään entsyymiin, tämä löytää tiensä perille viherhiukkaseen. Koeputkesta biotehtaaseen Siirtyminen levien kasvattamisesta laboratorion koeputkissa teollisen mittaluokan laitoksiin on aiheuttanut jonkin verran päänvaivaa. Yksi suurimmista vaikeuksista on ollut varmistaa, että kaikki isoissa säiliöissä lilluvat levät saavat kylliksi auringonvaloa. Leväkasvuston keskelle ei myöskään välttämättä kulkeudu kylliksi hiilidioksidia, jos levät ovat veden alla, minne ei pääse ilmaa. Toisaalta pinnalla kelluvat levät voivat saada liikaakin auringonpaistetta, jolloin niiden yhteyttämiskyky kärsii. Ratkaisuksi keksittiin panna levätehtaiden vesi kiertämään. Kasvatusaltaisiin asennettiin siipirattaat, jotka pitävät veden ja siinä killuvat leväkasvustot jatkuvassa liikkeessä. Näin kaikki levät pääsevät vuorollaan pintaan nauttimaan valoa ja hiilidioksidia. Avoaltaiden vaihtoehto on putkibiotehdas, jossa levien kasvatusneste kiertää läpinäkyvissä putkissa. Näin estetään levien ja kasvatusnesteen ravinteiden kulkeutuminen luontoon. Levästä vetyä auton tankkiin Levät eivät ole kova sana pelkästään lääketeollisuudessa. Ne voidaan panna tuottamaan myös vaikkapa kosmetiikan raakaaineita ja biopolttoainetta. Periaatteessa levä olisi erinomainen polttoaineen lähde. Se tuottaa energiaa auringonvalosta ja imee samalla hiilidioksidia ilmakehästä. Lisäksi se tarvitsee kasvaakseen vain vettä ja vähän kivennäisaineita. Nykyisellään öljyn hinta on kuitenkin niin alhainen, että leväpohjaisesta biobensiinistä ei ole kilpailijaksi fossiilisille polttoaineille. Sen sijaan levätehtaissa tuotetaan elintarvikkeita ja ravintolisiä. Levä voisi olla vaihtoehto öljylle muutenkin kuin biobensiininä. Autonvalmistajat Toyota ja Hyundai kehittelevät uudenlaista leväkantaa, joka tuottaa vetyä autojen poltto aineeksi. Muunnellut levät on jo saatu tuottamaan viisi kertaa niin paljon vetyä kuin normaalisti. Vetyä käyttäviä polttokennomoottoreita on kaavailtu autojen lisäksi muun muassa lentokoneisiin. Levätehdas vaatii valoa Kun leviä kasvatetaan teollisissa mitoissa, vaihtoehtoja on nykyisin kaksi. Kumpikin tekniikka perustuu siihen, että levät ovat jatkuvassa liikkeessä ja saavat runsaasti auringonvaloa. SHUTTERSTOCK Vetypolttoainetta Geenitekniikan avulla levät voidaan saada tuottamaan viisi kertaa niin paljon vetyä kuin normaalisti. Vetyä voidaan käyttää polttoaineena vetyautojen polttokennoissa, jotka eivät tuota haitallisia pakokaasuja. Hyviä rasvahappoja Makean veden leviä Chlorellaa ja Spirulinaa käytetään kuivattuina ruoaksi ja ravintolisien raaka-aineeksi. Ne sisältävät runsaasti hyödyllisiä omega-3- rasvahappoja, B-vitamiineja ja antioksidantteja. Väriä elämään Purukumin, jäähilejuoman tai silmänrajausmeikin sininen väri tai huulipunan punainen voivat olla peräisin levistä. Levien sisältämiä fykobiliproteiineja käytetään myös itsevalaisevissa maaleissa. 52 Tieteen Kuvalehti

6 MENETELMÄ 1: TEHOKAS Kiinalaistehtaassa levät kiertävät putkissa Putkifotobioreaktori koostuu läpinäkyvistä putkista, joissa kiertävä levänkasvatusliuos saa auringon valoa. Laitoksessa on suljettu kierto, eli ympäristöön ei kulkeudu ravinteita tai jätteitä. Maailman suurin putkifotobioreaktori on Etelä-Kiinassa sijaitseva neliömetrin kokoinen laitos, joka tuottaa levistä ravintolisiä. BEIJING GINKO GROUP MENETELMÄ 2: HALPA Siipiratas kierrättää levälientä altaissa Rengasmaisissa kasvatusaltaissa vesi pidetään siipirattaiden avulla liikkeessä niin, että levät saavat koko ajan tasaisesti auringonvaloa ja hiilidioksidia. Yksi suurimmista rengasaltaisiin perustuvista levänkasvatuslaitoksista on Havaijilla neliömetrin altaissa kasvatetaan punaleviä ja syanobakteereja eli sinileviä. HAWAII OCEAN SCIENCE & TECHNOLOGY PARK Print: stkp Status:750 - Sprog godkendt Layout:GUL Red.sek: MKP Nutrex-yhtiö kasvattaa Havaijilla Spirulina-levää, josta valmistetaan muun muassa ravintolisiä. NUTREX HAWAII