KESKUSTELU

Eikös kierrätyspahvin ja -paperin ongelmana ole ollut se, että kierrätettäessä kuidut katkeavat ja tulevat lyhyemmiksi, jolloin myös siitä tehty uusiopahvi ja paperi tulevat huterammiksi?

Onko biomekaanista keinoa selluloosamolekyylien pidentämiseen tutkittu? Voitaisiinko teoriassa kaataa huonolaatuista sellumassaa tankkiin, sekaan ravintoliuosta (tms energiaa) ja Salaista Entsyymi X:ää, ja selluloosapätkät alkaisivat yhdistyä toisiinsa kunnes tankissa olisi vain yksi jättiläismäinen selluloosamolekyyli? Eikö sellaisesta supermolekyylistä valssatun pahvin pitäisi olla suunnilleen luodinkestävää (siis ainakin kuivana)?

No selluloosahan on periaatteessa normaalia glukoosia, jota entsymaattisesti liitetään toisiinsa 1,4 sidoksilla. Ilmeisesti kaikki muste ym. poistetaan selluloosasta sellulaasi entsyymillä joka sitten katkoo noita sidoksia. Tuossa on kaikki mitä oikeastaan tiedän asiasta, mutta bioteknisestä näkökulmasta en näkisi sellaisen rekombinantin mikrobin suunnittelun olevan vaikaa, joka vaikka jotenkin tehostaisi tuota selluloosan muodostamista.

Minulle tuli mieleen, että voitaisiinko selluloosapolymeereja tuottaa jotenkin samalla tekniikalla kuin DNA-ketjuja tuotetaan PCR-reaktioissa? Niissähän siis entsyymi kokoaa optimaalisessa lämpötilassa ja liuoksessa raaka-aineita ketjuksi muodostaen polymeereja. DNA-polymeraasientsyymi on peräisin arkkibakteereista, koska sen täytyy kestää kuumuutta (DNA:n kaksoiskierteen avaamiseksi lämpötila nostetaan 94 asteeseen). Selluloosaketjureaktiot lienevät kuitenkin mahdollisia matalammissakin lämpötiloissa.

Selluloosan synteesin mekanismit soluissa tunnetaan melko huonosti, mutta siitä vastaa suuri syntetaasikompleksi, joka on kiinnittyneenä solukalvoon. Luulisin, ettei kompleksi toimi ilman solukalvoa.

Lisäksi synteesi tapahtuu liittämällä ketjuun yksittäisiä glukoosimolekyylejä - tietääkseni ei ole olemassa entsyymiä, joka liittäisi pitkiä selluloosapätkiä toisiinsa.

Enpä ole ajattellut asiaa tuolta kannalta, mutta ihan mutuna sanoisin, että PCR tekniikka ei sovellu tuohon kovin hyvin tällä hetkellä. PCR:ssa lämpötila nousee aina ajoittain hyvin korkeaksi ja kovin monet entsyymit ei kestä sellaista vaan denaturoivat ja ilman kaperoneja eivät siitä sitten uudelleenlaskostu oikein. PCR ei ylipäätänsä ollut mahdollista ennen kuin löydettiin termofiilisia mikrobeja kuumista lähteistä joiden entsyymit kestivät yli 100c lämpöjä. Ehkä sitten jos löydetään joku mystinen kasvi joka muodostaa selluloosaa hyvin kuumissa oloissa.

En oikein usko tuon PCR vertauksen liittyvän aiheeseen mitenkään. PCR:ssä lämpötilan vaihtelut mahdollistavat DNA:n denaturoitumisen, alukkeiden kiinnittymisen, sekä polymeraasientsyymin aktivoitumisen. Miksi selluloosan polymerisoituminen vaatisi tällaisia lämpötilan vaihteluita?

Mainittakoon vielä, että polymeraasientsyymejä löytyy jokaiselta elävältä lajilta; ainoastaan noiden termofiilisten mikrobien entsyymit kestävät PCR-reaktion vaatimia korkeita lämpötiloja. Muilla lajeilla entsyymit toimivat aktiivisimmin alemmissa lämpötiloissa, kuten ihmisellä oletettavasti jossain 37 asteen tienoilla.

Lähestyisin alkuperäistä ongelmaa selluloosan muodostumiseen vaikuttavien kasveissa esiintyvien entsyymien toimintaan perehtymällä, kuten Scylla kirjoitti. Wikipedia tietää aiheesta jotain.

Ei tullut mieleen, että ei tosiaan lämpötilalla ole mitään väliä samassa mielessä sokerien synteesissä, mutta sanoinpa ainakin miksi PCR tyyppinen ratkaisu ei toimisi kun se perustuu juuri tuohon denaturoitumisen jokaisen reaktion jälkeen .

Tiedän, enkä sitä tuolla ehdotuksellani tarkoittanutkaan. Selostus jäi tosin kiireessä vähän puolitiehen. Tarkoitin siis vain sitä, että olisiko mahdollista hankkia entsyymi, joka tietyissä sille ihanteellisissa ympäristöoloissa liittäisi selluloosapätkiä toisiiinsa tai rakentaisi valmiista molekyyleistä ketjua samaan tapaan kuin DNA-polymeraasi tekee PCR-reaktiossa. DNA:n vaatima lämpötilan vaihtelu oli tässä sivuseikka. Ajatus oli, että käytettäisiin entsyymejä kokonaisten mikrobien sijaan, jos se on energiatehokkaampaa (mikrobeillahan energiaa kuluu moneen muuhunkin tarkoitukseen kuin selluloosan tuottamiseen).

Tosiaan, tuo pitkien selluloosapätkien liittäminen toisiinsa on siis ilmeisesti ainakin tunnetuille mikrobeille (ja siis todennäköisesti myös niiden entsyymeille?) mahdoton tehtävä. Toisaalta lieneekö alaa tutkittu tarpeeksi varman vastauksen antamiseen.
Entä olisiko mahdollista silputa sellumassa takaisin yksittäisiksi glukoosimolekyyleiksi jollakin halvalla ja energiatehokkaalla molekyylillä, ja sitten hankkia sopiva polymeraasientsyymi tekemään niistä uudestaan pitkänpitkiä ketjuja? Ainakin kokonaisilta mikrobeilta/kasvisoluilta se varmaan onnistuisi, kasvisoluthan sitä tekevät luonnossakin.

No entsyymien käytössä tuossa on vähän muitakin ongelmia. Teollisessa entsyymien käytössä ongelmana on entsyymien ominaisuudet (entsyymien stabiilisuus on iso ongelma, ne ovat kalliita tuottaa ja eristäää jne.), eikä entsyymejä ole kovin järkevää ja helppoa käyttää monivaiheiseissa reaktioissa kuten selluloosan valmistamisessa. Tämä johtuu siitä, että entsyymit toimivat eri nopeuksilla, ovat usein osana monimutkaisesti säädeltyä metabolista reittiä ja tehokkuuden kannalta ne pitää lähes aina immobilisoida entsyymireaktoriin ja se sitten vaikuttaa taas aktiivisuuteen ja stabiilisuuteen.

Yksi vaihtoehto olisi muokata jotain arkkia tai bakteeria jolla on jotain vaiheita selluloosan metaboliasta ja siirtää loput tarvittavista geeneistä mikrobiin, jolloin mikrobit tekisi kaiken työn yhdeltä istumalta. Suurin ongelma varmaan tuossa on se, että eukaryoottigeenit on n. 10x isompia tai usein enemmän, eikä monen eukaryoottigeenin kloonaaminen mikrobiin ole kovin helppoa kloonausvektoreista johtuvien rajoitteiden takia ja kuten metabolian pitäisi olla vielä lisäksi säädelty. Lisäksi kasvigeenien ilmentyminen mikrobeissa on tietääkseni sekin aika haastavaa. En sitten tiedä olisiko mahdollista tehdä kasvisoluilla jonkinlainen bioreaktori, joka tekisi selluloosaa. Suurin ongelma varmaan on se, että kasvien genomit tunnetaan aika huonosti, mikä haittaa niiden muokkaamista.

Selluloosan pilkkominen onnistuu sellulaasi entsyymillä oikein hyvin (monet sienet erittävät tätä ympäristöönsä), mutta selluloosaa siitä ei enään saa ainakaan kovin yksinkertaisesti. Ongelmana on tässä tapauksessa juurikin reaktion monivaiheisuus, johon liittyy useita entsyymeja. Toivovatavasti joku nyt saa tästä jotain selvää eikä ole vain ajatuksen virtaa.

(Ihan sivuhuomautuksena muuten, että polymeraasit on en entsyymejä jotka liittää nukleiinihappoja)

Viimeisimmässä Prisma Studiossa oli juttu nanoselluloosasta jonka mahdollisuuksia parhaillaan tutkitaan Suomessa ja maailmalla. Ei ihan sama asia kuin itse tässä ketjussa esitin, mutta hyvin lähellä. Nanokokoon pilkotut selluloosafibrillit pyrkivät kuivuessaan yhdistymään uudelleen vahvoiksi rakenteiksi. Teoriassa nanoselluloosamateriaalista voisi jalostaa jopa teräksen vahvuista.

Prisma Studio on katsottavissa Ylen Areenalta tämän viikon ajan:

http://areena.yle.fi/video/864065

Viime vuonna saatiin aikaan mielenkiintoinen juttu: tietokoneavusteisesti suunniteltiin (olemassaolevan entsyymin pohjalta) uusi entsyymi, joka katalysoi samankaltaisen reaktion, mutta eri lähtöaineelle. (http://www.sciencemag.org/content/329/5989/285.summary) Tällaistahan voisi yrittää soveltaa selluloosanpätkiinkin, hehheh. Taitaa olla vaan hieman vaikeampaa, jos kerran selluloosasyntetaasientsyymi kerran vaatii solukalvonkin toimiakseen. Ja niiden molempien selluloosaketjujen päiden pitäisi tunkea ulos sieltä entsyymin aktiivisesta kohdasta eli pitäisi mahduttaa sinne yhden glukoosin sijaan kokonainen jono glukoosimolekyylejä. Voi olla liikaa entsyymin aktiivisuuden säilymistä ajatellen...

Puu on jo nyt teräksen lujuista, mikäli lujuus suhteutetaan painoon.

Selluloosamolekyylin teoreettinen vetolujuus on noin 20 000 MPa, eli on varaa parantaa melko paljon. Sulfaattikeitettyjen yksittäisen kuitujen lujuuksiksi on mitattu 400-1500 MPa arvoja, mikä on jo numeroarvona terästä lujempaa, ja painoon suhteutettuna täysin ylivertaista.
Mikäli kuiduista onnistuttaisiin tekemään niin pitkiä, että ne ovat käyttökelpoisia, olisi tuotteelle varmasti markkinoita.