yhteyttäminen

Geenimuunneltu kolibakteeri syö hiilidioksidia

To, 11/28/2019 - 03:46 Jarmo Korteniemi
Kuva: Kolibakteerikolonia.

Tutkijat kehittivät kolibakteerin, joka osaa ottaa hiilidioksidia suoraan ilmasta ja muuntaa sitä orgaanisiksi yhdisteiksi. Tämän povataan avaavan ovia sekä uusille bioenergian muodoille että bakteerien avulla tehdyn ruuan valmistukselle.

Geenitekniikkaa ja evoluutiota hyödyntänyt tutkimus muunsi toisenvaraisen eliön omavaraiseksi. Tutkijat saivat kolibakteerin keräämään tarvitsemansa hiilen hiilidioksidista.

Saavutus voi avata ovet uudenlaisen bioenergian käytöllle ja jopa bakteeriruuan massatuotannolle. Bakteerien avulla voitaisiin tulevaisuudessa tuottaa orgaanisia molekyylejä, joita voidaan käyttää joko biopolttoaineina tai ruuan tuotannossa. Tällä tavoin tuotettujen hyödykkeiden hiilijalanjälki pienenisi huomattavasti perinteisiin verrattuna, sillä prosessi poistaa hiilidioksidia ilmasta.

Kolibakteeri (Escherichia coli eli E. coli) on geeniteknologian tärkein mallieliö. Se tunnetaan hyvin, sitä on helppo kasvattaa, ja sitä voidaan muokata varsin helposti. Geenimuokkausten tulokset näkyvät nopeakasvuisessa bakteerissa pian, ja tuloksia voidaan ohjailla ja säätää tarkkaan. Jo nyt geenimanipuloiduilla kolibakteereilla tuotetaan esimerkiksi elintärkeää insuliinia sekä kasvuhormoneja.

Kolibakteeri tarvitsee kuitenkin kasvaakseen muiden eliöiden valmistamaa eloperäistä ainesta. Ne ovat siis ihmisen lailla toisenvaraisia eliöitä. Lisäksi kolibakteeri tuottaa jätteenään hiilidioksidia.

Omavaraiset yhteyttävät eliöt ovat erilaisia. Näitä ovat esimerkiksi kasvit ja sinibakteerit (tai sinilevät, kuten jälkimmäisiä virheellisesti kutsutaan), jotka sitovat ilman hiilidioksidia monenlaisiin yhdisteisiin – esimerkiksi DNA:han, proteiineihin, sokereihin ja rasvoihin. Omavaraisia eliöitä voisi periaatteessa käyttää oivina biologisina tehtaina, mutta ikävä kyllä ne ovat geeneiltään usein haastavia muokattavia.

Geeniteknologiassa onkin jo pitkään kaivattu helposti muokattavaa omavaraista eliöä. Paras olisi sellainen, joka voitaisiin muuntaa hallitusti toisenvaraisesta omavaraiseksi. Moisen siirtymän povataan mahdollistavan uudenlaisten uusiutuvien energianlähteiden ja kestävämmän ruuantuotannonkin kehityksen.

Tämä himoittu askel on nyt viimein otettu. Ratkaisu oli kolibakteeri, johon tarvitsi tehdä muutoksia ainoastaan yhteentoista geeniin. Tutkimusartikkeli julkaistiin 27.11.2019 Cell-julkaisusarjassa.

Aluksi kolibakteereille siirrettiin geenejä, jonka avulla ne voivat hyödyntää ilman hiilidioksidia. Tämä prosessi kuitenkin vaatii energiaa, eikä bakteereilla ole keinoja yhteyttämiseen. Tarvittiin jokin muu energianlähde. Bakteereille annettiin siksi lisää uusia geenejä – sellaisia, jotka mahdollistavat energian imemisen formiaatti-nimisestä molekyylistä (HCOO-).

Geenimuutokset antoivat kolibakteereille mahdollisuuden vaihtaa "ruokailutottumuksiaan", mutta se ei vielä aivan riittänyt.

Kuva: Uuden kolibakteerin aineenvaihdunta (Gleizer ja kumpp., 2019)

Muokattuja kantoja kasvatettiin vielä pitkään niukassa sokeriliuoksessa ja erittäin suuressa 10 % hiilidioksidipitoisuudessa. Tutkijat pyrkivät saamaan aikaan valintapaineen, joka pakottaa bakteerit suosimaan uutta ominaisuutta mutaatioiden kautta.

Tavoite saavutettiin 200 vuorokauden jälkeen. Oli syntynyt ensimmäinen kolibakteerikanta, joka kykenee elämään pelkällä hiilidioksidilla, täysin ilman ulkopuolista sokeria. 300 päivän kohdalla ne kasvoivat jo nopeammin kuin samoissa oloissa pelkkää sokeria popsineet kannat.

Ensimmäinen hiilidioksidia "syövä" kolibakteerikanta kehitettiin itse asiassa jo vuonna 2016, samojen tutkijoiden toimesta. Nuo bakteerit tosin hankkivat  tarvitsemastaan hiilestä vain murto-osan hiilidioksidista. Uudessa tutkimuksessa bakteerikanta käyttää pelkkää CO2:a.

Kyse on kuitenkin vasta ensimmäisestä askeleesta uudella reitillä.

Muokatutkin kolibakteerit siirtyvät helposti käyttämään valmista sokeria, jos sitä vain löytyy kasvualustasta. Hiilidioksidi taitaa siis olla niille yhä ns. pakkopullaa.

Lisäksi kolibakteerit saavat käytettyä hiilidioksidia vain jos sitä on tarjolla erittäin paljon. Ne eivät pärjäisi nykyilmakehän normaalissa CO2-pitoisuudessa (0,04 %) ilman sokeriliemistä kasvualustaa.

Mikä ikävintä, muokattujen kolibakteerien kasvatus on jopa optimiolosuhteissa hidasta. Kun muokkaamattomat kolibakteerit jakautuvat noin 20 minuutin välein, muokatut tekevät sen yli 50 kertaa hitaammin – kerran 18 tunnissa.

Kyse ei siis ole mistään ihmekeinosta, jolla käännetään ilmakehän hiilidioksidipitoisuus laskuun tai korjataan maailman ruokapula. Tämä tutkimus vasta todistaa keinon olevan mahdollinen tai ainakin lisätutkimusten arvoinen.

Jatkoprojektissa on tarkoitus saada muokatut kolibakteerit lisääntymään nopeammin ja toisaalta kukoistamaan paljon matalammassa CO2-pitoisuudessa, joka vastaisi paremmin ilmakehän olosuhteita.

Nyt julkaistu tutkimus kuvastaa, kuinka luontaisia prosesseja voi hyvillä mielin tehostaa ja säädellä tekniikan ja evoluution yhteispelillä.

Lähteet: Gleizer ja kumpp.: "Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2" (Cell, 2019); Callaway: "E. coli bacteria engineered to eat carbon dioxide" (Nature News, 2019)

Otsikkokuvan kolibakteerit eivät liity tutkimukseen. Jälkimmäisessä kuvassa esitellään muokatun kolibakteerin perusmetabolismi (Gleizer ja kumpp., 2019)

Kemiallinen joulukalenteri 13/24: Lucia muistuttaa D-vitamiinista

Ti, 12/13/2016 - 06:57 Jarmo Korteniemi
Lucia-juhlaa ruotsalaisessa koulussa. Kuva: Claudia Gründer / Wikipedia

Lucian päivä kurottaa juurensa moneen juhlaan: Siinä muistetaan pakana-aikojen talvipäivänseisausta, Lussi(n)yön noitien ja yliluonnollisten olioiden mekastusta, sekä marttyyrinä vuonna 304 kuollutta sisilialaista Luciaa.

Päivän kuvaMutta ennen kaikkea Lucian päivä on nykyisin valon juhla. Valkoisiin pukeutuneet neidot kantavat kynttilöitä valaisten talven pimeintä aikaa.

Valo on myös syy siihen, miksi tämän päivän joulukalenteriluukun takaa paljastuu D-vitamiinipillereitä.

D-vitamiinia, tai sen D3-muotoa, syntyy ihossa auringonvalon vaikutuksesta. Pitkän, pimeän talven aikana useat ihmiset kärsivät D-vitamiinin puutoksesta. Arvioiden mukaan tämä koskee joka viidettä suomalaista.

D-vitamiinia saa ravinnosta, etenkin kaloista ja kalaöljyistä, sekä maitotuotteista ja levitteistä, joihin ainetta on erityisesti lisätty. Silti lisäravinteetkin ovat usein tarpeellisia, jotta tätä tärkeää vitamiinia saa riittävästi.

Puutos vaikuttaa fosforin ja kalsiumin aineenvaihduntaan. D-vitamiini pitää veren kalsium- ja fosfaattipitoisuudet sopivina parantamalla niiden imeytymistä. 

D3-vitamiinin puute aiheuttaa lapsilla riisitautia. Aikuisilla liian vähäinen D3-vitamiinin saanti pienentää luuston kalsiumpitoisuutta, jolloin seurauksena saattaa olla osteomalasia, eli luun pehmeneminen, ja pitkäaikainen puutos edesauttaa osteoporoosia.

Valtion ravitsemusneuvottelukunta on määritellyt suurimmaksi hyväksyttäväksi päiväsaanniksi aikuiselle 100 µg/vrk, eikä yliannostuksen vaaraa ole oikestaan kuin monia erilaisia lisäravinteita samanaikaisesti (yleensä aivan turhaan) nautittaessa.

Tosin D-vitamiinin status "vitamiinina" on hieman horjuva. Vitamiinit kun usein määritellään keholle tarpeellisena aineena, joka pitää saada ravinnosta, koska keho ei kykene sellaista tuottamaan. D-vitamiinia voidaan, ja siksi se pitää mainita vitamiinilistassa erikoistapauksena.

D-vitamiini

D-vitamiineja on useita eri muotoja, jotka oikeastaan ovat hormonien esiasteita. Tärkeimpiä ihmiselle ovat D2, eli ergokalsiferoli (C28H44O), ja D3, eli kolekalsiferoli (C27H44O).

Auringon valo on tärkein D-vitamiinin lähde: tuleva ultraviolettisäteily (UVB) muuttaa ihossa olevaa 7-dehydrokolesterolia D3-vitamiinin esiasteeksi. 

Lähempänä päivantasaajaa ihmiset saavat ikään kuin huomaamattaan tarvittavan annoksen D-vitamiinia, sillä 15 minuutin viettäminen auringossa kolmesti viikossa riittää D-vitamiinin saamiseksi. Suomen talvessa taas riittävää säteilyaltistusta ei useinkaan saa. Varsinkaan jos päivät istutaan sisällä ja pihalle tultaessa toppatakin raosta pilkistää vain nenänpää.

Samaa fotokemiallista perusmekanismia, eli fotonin energian nappausta kemian käyttöön, hyödynnetään monessa tutussa biologisessa tapahtumassa. Esimerkiksi näkökykymme perustuu sellaiseen, samoin lähes kaiken elämän perusta eli yhteyttäminen.

Lucia-neidon kynttiläkruunusta ei saa käytännössä lainkaan täydennystä synkkien päivien D-vitamiinivajausta täydentämään. Mutta valolla on luonnollisesti muutakin merkitystä: se piristää. Tämä tosin on ihan toinen asia, vaikkakin kaamosmasennuksen syynä oleva serotoniini-välittäjäaineen vajaus tekisi siitäkin sopivan kemialliseen joulukalenteriin – onhan serotoniini "oikealta" nimeltään 5-hydroksi-tryptamiini, eli C10H12N2O.

Uusi FLEX-satelliitti laukaistaan tarkkailemaan kasvillisuuden terveydentilaa

Euroopan avaruusjärjestö suunnittelee maapallon kasvillisuuden terveydentilan seurantaa tarkkailemalla himmeää hohdetta, fluoresenssia, jota kasvit vapauttavat muuntaessaan auringonvaloa ja ilmakehän hiilidioksidia energiaksi.

Kotiplaneettamme kasvillisuuden tilaa ja siihen kohdistuvia rasituksia koskeva tieto on tärkeää, sillä kaiken aikaa kasvava väkiluku asettaa yhä suurempia vaatimuksia ravinnon- ja rehuntuotannolle.

Työteliään valintaprosessin tuloksena päädyttiin satelliittiin, joka on ESAn Earth Explorer -ohjelman kahdeksas tekokuu. Sen laukaisun on määrä tapahtua vuoteen 2022 mennessä.

Samalla kun FLEX-satelliitti eli Fluorescence Explorer välittää tietoa kasvillisuuden tilasta, se auttaa ymmärtämään paremmin hiilen siirtymistä kasvien ja ilmakehän välillä, sekä yhteyttämisen vaikutuksia hiilen ja veden kiertoon.

Ilmakehän hiilidioksidin ja auringonvalon muuntuminen yhteyttämisessä energiapitoisiksi hiilihydraateiksi on yksi Maan elämän perusprosesseista, josta me kaikki olemme riippuvaisia.

Vaikka useimmat ovat kuulleet yhteyttämisestä, se muodostuu äärimmäisen mutkikkaasta tapahtumaketjusta. Kasvi- ja leväsoluissa on kaksi erilaista "aurinkovoimalaa", jotka toimivat perätysten. Ne keräävät auringonvalon energiaa ja tuottavat kemiallista energiaa yhteyttämiseen ja lämmitykseen.

Lisäksi prosessin yhteydessä esiintyy heikkoa fluoresenssia, johon vaikuttavat ympäristöolot ja kasvin terveydentila.

Fluoresenssi ilmenee lähi-infrapuna-alueen säteilynä, joka on lähtöisin kasvin yhteyttämisestä, kun lehtivihreä on imenyt itseensä auringonvaloa. Fluoresenssin voimakkuus kertoo yhteyttämisen tehokkuudesta ja kasvillisuuden terveydentilasta. 

Lentokoneeseen asennettavan HyPlant-instrumentin avulla on osoitettu, että fluoresenssi on mahdollista havaita ilmasta käsin, mikä on lupaavaa ESAn tulevan FLEX-satelliitin kannalta.

Tällä hetkellä yhteyttämistä ei voida tarkkailla avaruudesta käsin, mutta FLEX-satelliitin uudenlaiset ilmaisimet pystyvät havaitsemaan tämän himmeän hohteen.

FLEX-satelliitin kehitystyöhön liittyvällä HyPlant-instrumentilla tarkkailtiin lentokoneesta käsin kasvillisuutta, johon kohdistui ulkoisia paineita. Maanpinnalle levitettiin kaksi siirtonurmikenttää, joista toinen käsiteltiin tavallisella kasvimyrkyllä ja toinen jätettiin käsittelemättä. 

Alla olevassa kuvassa käsitelty alue hohtaa punaisena eli fluoresenssi on voimakkaampaa kuin oikeanpuoleisella, käsittelemättömällä alueella. Tässä tapauksessa voimakkaampi fluoresenssi kertoo siitä, että kasvimyrkky häiritsi kasvien energiajärjestelmää eivätkä ne pystyneet käyttämään auringonvaloa yhteyttämiseen. Jotta kasvit pääsivät eroon ylimääräisestä energiasta, niiden fluoresenssi voimistui. 

 

Sinilevät henkäilivät happea nuoren Maan ilmakehään

Ti, 11/24/2015 - 16:03 Markus Hotakainen
Maan ilmakehä

Maa ei ole aina ollut nykyelämälle suotuisa paikka. Miljardeja vuosia sitten ilmakehä oli koostumukseltaan tappavan myrkyllinen ja vasta noin 2,5 miljardia vuotta sitten hapesta tuli sen keskeinen osatekijä.

Syypääksi tähän "hapettumiseen" on todettu muinaiset syanobakteerit eli sinilevät – jotka eivät ole oikeasti leviä. Ne alkoivat vapauttaa happea merkittävässä määrin noin kaksi miljardia vuotta Maan synnyn jälkeen.

Kun happea alkoi vapautua, kesti vielä noin 100 miljoonaa vuotta ennen kuin sitä oli ilmakehässä niin paljon, että sen määrä suunnilleen vakiintui. Siitä on nyt aikaa 2,4 miljardia vuotta.

"Tähän saakka emme ole tienneet, olivatko happipitoisuudet 2,5 miljardia vuotta sitten todella vakaat. Uusi tutkimus antaa kysymykseen paljon varmemman vastauksen", arvioi Brian Kendall Waterloon yliopistosta.

Kendallin johtama tutkijaryhmä on määrittänyt isotooppisuhteiden perusteella, että sinilevien yhteyttäminen nosti happipitoisuutta nopeasti, mutta ei pysyvästi.

"Johtiko yhteyttämisen kehittyminen suoraan happirikkaaseen ilmakehään vai tapahtuiko siirtymä nykytilanteeseen asteittain", pohtii Ariel Anbar Arizonan valtionyliopistosta.

Uudet tulokset tukevat Anbarin työryhmän vuonna 2007 esittämää hypoteesia. Silloin läntisestä Australiasta löytyi muinaiseen merenpohjaan kerrostuneita liuskekiviä, joissa oli viitteitä ikivanhoista happihenkäyksistä.

Kivissä on runsaasti molybdeeniä ja reniumia. Niitä on alkujaan ollut kuivalla maalla esiintyneissä mineraaleissa, joista alkuaineet hapen vaikutuksesta vapautuivat ja päätyivät veden kiertokulun mukana merenpohjan kerrostumiin.

Tällä kertaa tutkittiin samaisista liuskekiviesiintymistä myös samalla tavalla käyttäytyvän osmiumin runsauksia. Sillä on kuitenkin kaksi isotooppia – 187Os ja 188Os – joista toinen on peräisin kuivan maan mineraaleista, toinen vedenalaisista tulivuorista.

Mitatut osmium-isotooppisuhteet viittaavat siihen, että alkuainetta on vapautunut nimenomaan hapen kanssa tekemisiin joutuneista mineraaleista. 2,4 miljardia vuotta sitten ilmakehässä oli siis jo runsaasti happea.

Nuoremmista muodostelmista tehdyt alkuaine- ja isotooppimääritykset sen sijaan kertovat, että myöhemmin hapen määrä oli taas vähentynyt huomattavasti. Nykytilanteeseen ei siis päästy heti yhteyttämisen alkamisen jälkeen.

Tutkimuksesta kerrottiin Waterloon yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Kuva: NASA