Bioteknologian vallankumous materiaali-, energia- ja elintarvikealoille

Bioteknologia lääketieteellisen sektorin ulkopuolella

Bioteknologiassa huomio kohdistuu usein lääketieteeseen ja lääkkeisiin. Uudet menetelmät voivat auttaa hoitamaan harvinaisia ja kroonisia sairauksia, syöpää ja infektioita. Ikääntymisen biologian tutkimus ei kuitenkaan vielä tarkoita ikääntymisen poistamista.

Lääketeollisuus on suuri toimiala, mutta kannattavuus vaihtelee ja tuotekehitykseen liittyy huomattavia riskejä.

Bioteknologialla on myös muita käyttökohteita. Elävät solut ja niiden molekyylikoneistot tuottavat materiaaleja, ravintoa ja energiaa. Fossiiliset polttoaineetkin ovat syntyneet muinaisesta eloperäisestä aineksesta geologisten prosessien kautta.

Geenien ja molekyylitason prosessien parempi ymmärtäminen voi mahdollistaa teollisten menetelmien korvaamisen biologisilla ratkaisuilla. Niiden kestävyys on arvioitava tapauskohtaisesti koko elinkaaren perusteella.

Elintarviketuotanto

Maatalous on keskeinen bioteknologian sovellusalue. Geenimuunneltuja viljelykasveja on käytetty vuosikymmeniä. Uusien ominaisuuksien hyödyt, ympäristövaikutukset ja hyväksyttävyys riippuvat kasvista, ominaisuudesta ja käyttötavasta.

Maatalousbioteknologian arvioidaan kasvavan 79,9 miljardista dollarista vuonna 2023 119,6 miljardiin dollariin vuoteen 2028 mennessä.

Yksi sovellus on tautien ja tuholaisten vastustuskykyisten tai kuivuutta, kuumuutta ja tulvia paremmin sietävien lajikkeiden kehittäminen.

Myös kasvien pinnoilla, sisällä ja maaperässä eläviä mikrobeja voidaan hyödyntää. Ne voivat joissakin oloissa vähentää lannoitteiden tai torjunta-aineiden tarvetta, mutta eivät automaattisesti korvaa niitä kokonaan. Käsittelimme aihetta artikkelissa ”Suunnitellut kasvimikrobiomit – kasvien suojaaminen bakteereilla”.

Lähde: Energy.gov

Alan suuriin toimijoihin kuuluu Bayer (BAYRY). Bayer toimii sekä lääke- että maatalousalalla.

Käsittelimme Bayeria ja aihepiiriä artikkeleissa ”Edistyvä maatalous tekoälyn ja geenitekniikan avulla – viljelyn tulevaisuus” ja ”Minikromosomit – paras tapa kestävään sadonkasvuun?”.

Vaihtoehtoiset ruoat

Geenimuokkaus voi myös auttaa kehittämään uusia ruokakasveja. Esimerkiksi täysin uudet viljelykasvit voidaan kesyttää luonnonvaraisista lajeista.

Sienten geenimuokkausta tutkitaan lihankorvikkeiden koostumuksen, maun ja ravinto-ominaisuuksien parantamiseksi.

Biopolttoaineet ja energia

Fossiiliset polttoaineet ovat peräisin muinaisesta biomassasta. Voisiko uusi biomassa korvata osan niiden käytöstä?

Tämä on yksi biopolttoaineiden tavoitteista. ^Ensimmäisen sukupolven polttoaineet käyttävät esimerkiksi ruokakasveja, kun taas ^toisen sukupolven raaka-aineita ovat muun muassa lignoselluloosa ja maatalouden tähteet.

Usein ^kolmannen sukupolven biopolttoaineiksi kutsutaan leväpohjaisia ratkaisuja. Niillä pyritään vähentämään kilpailua ruokatuotannon kanssa, mutta veden, ravinteiden, energian ja maa-alan tarve riippuu toteutuksesta.

Biopolttoaineita ovat esimerkiksi bioetanoli, biodiesel, uusiutuva diesel ja biokaasu. Biologisia reittejä vedyn tuotantoon tutkitaan myös. Ammoniakki ei kuitenkaan ole automaattisesti biopolttoaine: sen valmistustapa ratkaisee.

Leviä voidaan kasvattaa erilaisissa järjestelmissä, myös suolavedessä. Käsittelimme mahdollisuuksia artikkelissa ”Leväpolttoaine: seuraava energiarevoluutio?”

Lähde: Exxon

Hiivalle voidaan myös antaa uusia valoa hyödyntäviä ominaisuuksia, kuten artikkelissa ”Valoa hyödyntävä hiiva voi muuttaa lähestymistapaamme biopolttoaineisiin” käsittelimme. Tällainen ominaisuus ei yksin tee hiivasta täysin yhteyttävää organismia.

Bioteknologian ja nanoteknologian yhdistelmiä nimitetään joskus ^neljännen sukupolven ratkaisuiksi. Termin käyttö vaihtelee. Yksi tutkimussuunta on fotobiologisten aurinkopolttoaineiden tuotanto, jossa hyödynnetään biologisia tai biohybridisiä valonmuunnosjärjestelmiä. Kaikki nämä menetelmät eivät toimi ilman kokonaisia organismeja.

Ilmastonmuutos

Biopolttoaineet voivat joissakin tapauksissa vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja elinkaaripäästöjä. Bioteknologialla on myös muita ilmastoon liittyviä sovelluksia.

Artikkelissa ”Sijoittaminen ilmastonmuutoksen ratkaisuja kehittäviin bioteknologiayhtiöihin” käsittelimme esimerkiksi seuraavia mahdollisuuksia:

• Hiilen sitominen esimerkiksi geenimuokattujen puiden, biohiilen, merileväviljelmien, meren kasviplanktonin rautalannoituksen avulla. Näiden ilmastohyödyt, pysyvyys ja ekologiset riskit vaihtelevat; etenkin meren lannoitus on kiistanalaista eikä osoitettu yleisratkaisu.
• Maatalouden kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen.
• Arvokkaiden yhdisteiden, kuten hajusteiden, mausteiden ja lääkeaineiden, tuottaminen bioreaktoreissa.
• Sisä- ja kerrosviljely veden ja maa-alan käytön vähentämiseksi, huomioiden energiantarve.

Lähde: Medium

Materiaalit ja teollisuustarvikkeet

Puu

Puu on vanha mutta edelleen tärkeä biomateriaali. Metsätuotteiden maailmanlaajuisten markkinoiden arvoksi on eräässä vuoden 2024 markkina-arviossa esitetty noin 1,16 biljoonaa dollaria.

Puiden hidas kasvu ja pitkät sukupolvivälit vaikeuttavat jalostusta ja geenitekniikan tutkimusta. Niitä on silti tutkittu ja geenimuokattu jo pitkään.

Jalostus voi parantaa puuntuotantoa ja vaikuttaa hiilen sidontaan, mutta metsän kokonaisvaikutukset riippuvat myös hoidosta, hakkuista ja hiilen varastoitumisesta.

Puita voidaan tutkia myös arvokkaiden kemiallisten yhdisteiden tuotantoon.

Lähde: Modern Agriculture

Näitä menetelmiä voidaan yhdistää peltometsäviljelyyn, ruokametsiin ja monilajisiin metsiköihin. Tuottavuuden ja ekologisten hyötyjen yhteensovittaminen vaatii paikallista arviointia.

Myös puun materiaalitekniikka kehittyy. Kemiallisilla ja lämpökäsittelyillä sekä biopolymeereillä voidaan valmistaa lujempia ja jäykempiä puupohjaisia materiaaleja. Vertaukset teräkseen tai betoniin koskevat tiettyjä mitattuja ominaisuuksia ja koejärjestelyjä, eivät materiaalien kaikkia käyttökohteita.

Bioplastit ja biokemikaalit

Muovien valmistus kuluttaa fossiilisia raaka-aineita ja energiaa. Erään skenaarion mukaan sen osuus maailman öljynkulutuksesta voisi nousta 20 prosenttiin vuonna 2050. Kyse on ennusteesta, ei toteutuneesta osuudesta eikä öljyn ja kaasun yhteisestä kulutusluvusta.

Mikromuoveja on havaittu ihmiskehossa ja myös sadevedessä.

Biopohjaiset muovit voivat korvata joitakin fossiilisia raaka-aineita. Biopohjaisuus ei silti tarkoita biohajoavuutta, ja biohajoaminenkin riippuu materiaalista ja olosuhteista. Jätehuolto ja muovin käytön vähentäminen ovat edelleen tarpeen.

Käsittelemme haasteita ja uusia ratkaisuja artikkelissa ”Ympäristöystävälliset vaihtoehdot muoveille: avain kestävyyspyrkimyksiin – ovatko biohajoavat muovit ratkaisu?” sekä alan yrityksiä artikkelissa ”Viisi bioplastiyhtiötä”.

Biopohjaisia vaihtoehtoja tutkitaan myös muualla. Esimerkiksi ligniinillä voidaan korvata osa perinteisten liimojen fossiilisista ainesosista, ja teollisuushamppuun perustuvia materiaaleja voidaan käyttää rakennusten lämmöneristykseen.

Tekstiilikuidut

Tutkijat ovat geenimuokanneet silkkiperhosia tuottamaan hämähäkinsilkin kaltaista kuitua, jonka sitkeys oli tutkimuksessa noin kuusinkertainen Kevlariin nähden. Sitkeys ei ole sama ominaisuus kuin vetolujuus tai luodinkestävyys. Mahdollisia sovelluksia tutkitaan esimerkiksi ommellangoissa ja teknisissä materiaaleissa. Hämähäkinsilkki voisi soveltua myös robottien keinolihaksiin.

Saasteiden puhdistus ja ympäristö

Muovia syövät bakteerit

Muovijätteen käsittelyyn tutkitaan myös biologisia menetelmiä. Ranskalainen Carbios kehittää muokattuun entsyymiin perustuvaa PET-muovin hajotusta. Menetelmä ei hajota kaikkia muovilajeja eikä tarkoita muovin vapauttamista ympäristöön bakteerien ravinnoksi.

Toinen yritys, Epoch Biodesign, kehittää entsyymejä erilaisten jätteiden ja materiaalien hajottamiseen ja kierrätykseen

Myös kasvit ja sienet voivat osallistua tiettyjen muovien hajotukseen. Laboratoriotulos ei kuitenkaan takaa nopeaa tai täydellistä puhdistumista luonnossa.

Liuskeöljytuotannon jäteveden käsittely

Bakteriofageja tutkitaan öljy- ja kaasutuotannon ongelmallisten bakteerien hallintaan. Ne voivat vähentää esimerkiksi biokorroosiota ja tiettyjen biosidien tarvetta, mutta eivät poista jäteveden suoloja, metalleja tai kaikkia muita haitta-aineita. Käsittelimme aihetta artikkelissa ”Bakteriofagit voivat vähentää kiistanalaisen vesisärötyksen haittoja”.

Kuolleiden lajien elvyttäminen

Ihmisen toiminta uhkaa myös luonnon monimuotoisuutta. Monet lajit ovat vaarassa kuolla sukupuuttoon, ja osa on jo kadonnut.

Artikkelissa ”Bioteknologia edistää lajien suojelua – valkosarvikuonot uusimpina hyötyjinä” tarkastelimme lisääntymistekniikoita uhanalaisten lajien, kuten pohjanvalkosarvikuonon, suojelussa. Mammutin kaltaisten ominaisuuksien palauttamiseen liittyvät hankkeet ovat paljon epävarmempia eivätkä vastaa jo sukupuuttoon kuolleen lajin varmaa elvyttämistä.

Lähde: Colossal

DNA‑pohjainen tiedon tallennus

DNA voi toimia myös tiedon tallennusvälineenä. Tietoa on aiemmin tallennettu puolijohteiden lisäksi esimerkiksi magneettisesti ja optisesti. DNA:n mahdollinen suuri tiheys johtuu molekyylirakenteesta, joten sitä ei pidä verrata kiintolevyihin pelkillä neliömillimetriä koskevilla luvuilla ilman samoja oletuksia.

Kuivassa ja suojatussa muodossa DNA voi säilyä pitkään ilman jatkuvaa virransyöttöä. Synteesi, lukeminen ja säilytysympäristön ylläpito kuitenkin kuluttavat energiaa ja materiaaleja.

DNA:n synteesin ja sekvensoinnin kehitys on mahdollistanut entistä tarkempia tallennuskokeita. Kustannukset ovat edelleen keskeinen este laajalle käytölle.

Lukeminen vaatii sekvensointia ja virheenkorjausta, joten DNA-tallennusta tutkitaan erityisesti harvoin käytettäviin arkistoihin.

DNA Data Storage Alliance kokoaa alan toimijoita. Jäseniin kuuluu esimerkiksi DNA:n synteesiin keskittyvä Twist Bioscience, sekvensointiyhtiö Illumina, tallennusyhtiö Western Digital, Microsoft (MSFT ), Lenovo ja monia muita.

Ei-farmaseuttiset bioteknologiayritykset

1. Ginkgo Bioworks

Ginkgo Bioworks tarjoaa solujen ja mikrobien kehityspalveluja biolääketieteellisiin sekä teollisiin sovelluksiin.

Teollisuusyritys voisi käyttää sen palveluja esimerkiksi polttoaineita tai arvokkaita kemikaaleja tuottavan mikrobin kehittämiseen. Käytännön onnistuminen riippuu saannosta, kustannuksista ja tuotannon skaalauksesta.

Ginkgo Bioworks (DNA ) on ilmoittanut tutkimusohjelmista ja kumppanuuksista useilla aloilla:

• Kannabinoidit
• mRNA-rokotteiden tuotanto ja nukleiinihappolääkkeet
• Elintarvikeproteiinit
• Biologisten lannoiteratkaisujen kehitys yhteistyössä Bayerin kanssa
• Ohjelmoitavat mikrobit suolistosairauksia varten
• Mikromuovien bioremediointi
• Bioturvallisuus ja patogeenien havaitseminen
• Jätteiden ja kontaminaattien kierrätys

Yhtiö saa kehityspalveluista maksuja. Sopimuksiin voi lisäksi sisältyä virstanpylväsmaksuja tai kaupalliseen menestykseen sidottuja osuuksia, joita ei ole taattu.

Ilmoitettuihin kumppanuuksiin kuuluvat esimerkiksi:

• Kasvava kumppanuus Novo Nordiskin kanssa.
• Kumppanuus japanilaisen Sojitz Corporationin kanssa.
• DARPA-rahoitus uusille proteiineille, jotka hallitsevat jäätä äärimmäisissä kylmissä olosuhteissa.
• Pfizer-sopimus, jonka mahdollisten maksujen kokonaisarvoksi ilmoitettiin enintään 331 miljoonaa dollaria.
• Merck-yhteistyö biologisten tuotteiden valmistuksen kehittämiseksi; ilmoitettu mahdollinen kokonaisarvo oli enintään 490 miljoonaa dollaria.
• Boehringer Ingelheim -yhteistyö vaikeasti lääkittyjen kohteiden tutkimukseen; mahdolliset maksut voivat yltää yli 406 miljoonaan dollariin.

Ginkgo on ilmoittanut myös maatalousalan yhteistyöstä esimerkiksi Bayerin, Cargillin, Syngentan, Cortevan, ADM:n ja Exactan kanssa. Kumppanuus ei yksin osoita kaupallista tuotetta tai toteutuneita biopolttoainetuloja.

Lähde: Ginkgo Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayerin Crop Science -divisioona kehittää siemeniä, kasviominaisuuksia ja kasvinsuojelua. Konsernilla on myös lääke- ja kuluttajaterveysliiketoimintaa.

Yhtiö käyttää jalostusta ja bioteknologisia menetelmiä kasvien ominaisuuksien kehittämiseen.

Bayer osti Monsanton vuonna 2018. Kauppa vahvisti sen siemen- ja kasvinsuojeluliiketoimintaa, mutta toi mukanaan Roundup-oikeudenkäyntejä ja huomattavia taloudellisia riskejä.

Bayer on yksi suurista siemenalan toimijoista ja tutkii myös geenimuokkausta. Tämä ei tarkoita, että se hallitsisi yksin valtaosaa kaikista geenimuunnelluista siemenistä.

Kasvinsuojelu voi ehkäistä merkittäviä satotappioita. Bayerin esittämät maailmanlaajuiset arviot ovat kuitenkin yleisiä alan laskelmia, eivät sen tuotteiden yksin tuottama mitattu lisäsato.

Lähde: Bayer

Bayer kehittää perinteisten jalostusmenetelmien rinnalle biologisia ratkaisuja yhteistyössä Ginkgo Bioworksin kanssa (DNA). Yhteistyöhön kuuluu esimerkiksi mikrobien hyödyntäminen kasvien ravinteiden saannissa ja kemiallisten panosten tarpeen vähentämisessä.

Bayerin kehitysohjelmiin kuuluu paljon uusia lajikkeita ja ominaisuuksia. Ohjelman koko tai rekisteröintien määrä ei takaa kaikkien hankkeiden kaupallista menestystä.

Yhtiö yhdistää myös digitaalisia työkaluja maatalouteen. Esimerkiksi Bayer on sopinut yhteistyöstä Microsoftin kanssa yhdistääkseen Azure-pilvipalvelut maatalousdataan, jota saadaan esimerkiksi satelliiteista, antureista, drooneista ja koneista.

Lähde: Bayer

Bayerin osaaminen jalostuksessa, geenimuokkauksessa ja maatalousdatassa voi tukea uusien viljelykasvien ja tarkkuusviljelyn kehittämistä. Yksittäisten teknologioiden käyttöönotto ja taloudelliset hyödyt ovat silti epävarmoja.