Entsyymien evoluutio johdattaa kestävään kemianteollisuuteen

Kun biokatalyyttien räätälöintiin liittyvä Suomen Akatemian nelivuotinen hanke lähestyy loppuaan, tulokset ovat paitsi akateemisia myös hyvinkin käytännönläheisiä. Tieteellisten artikkelien ohella saavutuksiin kuuluu ainakin yksi patenttihakemus.

Hanke koostuu kahdesta osaprojektista. Professori Juha Rouvisen Itä-Suomen yliopistossa Joensuussa johtama ryhmä määrittää ja tutkii entsyymien kolmiulotteisia rakenteita ja niihin liittyviä kemiallisia reaktioita.

Professori Juha Rouvinen ja diffraktometri, jolla mitataan röntgensäteilyn sirontaa kiteestä. Diffraktometrilla saadaan kidemuotoisen proteiinin rakenteesta tietoa, jonka pohjalta voidaan tietokoneella luoda proteiinista kolmiulotteinen malli. (Kuva: Anna Dannenberg)

Johtava tutkija Anu Koivula puolestaan luotsaa Teknologian tutkimuskeskuksessa VTT:llä ryhmää, joka etsii, tuottaa ja muokkaa uudenlaisia entsyymejä uusien tehokkaiden biotalouden prosessien kehittämiseksi.

Mistä siis on käytännössä kysymys?

”Entsyymit ovat proteiineja, jotka muodostuvat aminohappoketjusta”, Juha Rouvinen aloittaa esitellessään aldolaasientsyymin kolmiulotteista rakennekuvaa tietokoneelta.

DERA-entsyymi eli deoksiriboosifosfaattialdolaasi. Se on dimeeri, joka koostuu kahdesta samanlaisesta yksiköstä. Entsyymin aktiiviseen paikkaan on kovalenttisesti kiinnittynyt substraatti eli molekyyli, johon entsyymin toiminta vaikuttaa.(Kuva: Juha Rouvinen)

Havainnekuvasta näkyy, miten aminohappojen muodostama nauha on laskostunut tynnyrimäiseksi rakenteeksi, jonka keskellä on onkalo. Rakenne määrää entsyymin ominaisuudet ja toiminnan, ja kunkin entsyymin onkalo on sopiva juuri tietylle molekyylille.

”Entsyymi tuo kemiallisen reaktion osaset oikeille paikoilleen oikeassa asennossa. Se alentaa reaktion energiakynnystä ja tekee sen todennäköisemmäksi”, Rouvinen selittää.

Lyhyesti sanottuna entsyymi toimii kemiallisessa reaktiossa katalyyttinä. Näistä biokatalyyteistä toivotaan ympäristöystävällistä vaihtoehtoa synteettisen kemian menetelmille.

Kemian ja biokemian välimaastoon sijoittuva proteiinitutkimus on kiehtonut Juha Rouvista jo yli 30 vuoden ajan.

”Silloin Joensuuhun saatiin ensimmäinen tietokone, jolla voitiin mallintaa molekyylejä, ja kiinnostuin siitä, miten monimuotoista se oli. Kemian ilmiöitä voitiin soveltaa vaikka lääketieteeseen.”

Vuonna 1987 Rouvinen lähti Uppsalan yliopistoon määrittämään selluloosaa hajottavan entsyymin rakennetta. Kolme vuotta myöhemmin hän palasi Joensuuhun aloittamaan siellä alan tutkimusta.

Proteiinien ja entsyymien mallinnuksessa häntä viehättää etenkin sen monipuolisuus. Yhtymäkohtia on niin luontoon kuin elämäänkin.

Mitä sitten on hankkeen nimessäkin mainittu biokatalyyttien räätälöinti?

Joensuussa keskitytään erilaisten entsyymien rakenteiden tutkimiseen ja reaktioiden tarkasteluun. Röntgendiffraktometrilla mitattujen tietojen avulla voidaan rakentaa entsyymistä kolmiulotteinen malli ja korkean erotuskyvyn massaspektrometrilla tunnistaa, mitä tuotteita entsyymien katalysoimissa reaktioissa syntyy.

VTT:n tutkimusryhmän alaa puolestaan on entsyymien ominaisuuksien muokkaaminen. Yhtä proteiinia koodaa aina yksi geeni, joten geeniä muokkaamalla voidaan vaikuttaa kyseisen proteiinin toimintaan.

Yhdessä entsyymissä on kuitenkin satoja toimintaan vaikuttavia aminohappoja. Vaikka proteiini olisi mallinnettu tarkasti, ei useinkaan voida etukäteen ennustaa, millainen muutos vaikuttaa sen toimintaan juuri halutulla tavalla. Siksi mukaan otetaan sattuma.

”Luomme entsyymistä tuhansia tai jopa kymmeniätuhansia erilaisia variaatioita, ja robotiikkaa käyttäen seulomme niistä parhaat. Yleensä tuloksena on iso joukko entsyymivariantteja, jotka toimivat alkuperäistä huonommin, ja ehkä muutama, jotka toimivat vähän paremmin. Näihin parhaiten toimiviin variantteihin tehdään taas uusia muutoksia, ja niin edelleen. Matkimme siis luonnossa tapahtuvaa evoluutiota, mutta laboratorio-oloissa nopeutettuna prosessina. Sitä kutsutaan suunnatuksi evoluutioksi”, Anu Koivula selittää.

Hän kiinnostui geenitekniikasta jo opiskeluaikanaan 1980-luvulla, kun se oli Suomessa uutta.

Biokemiassa pinnalla suunnattu evoluutio

Nimenomaan suunnattu evoluutio on nyt biokemiassa pinnalla. Siitä muun muassa myönnettiin viime vuonna kemian Nobelin palkinto yhdysvaltalaiselle Frances Arnoldille.

Tieteellisen tutkimuksen ohella Akatemian rahoittama hanke tähtää ympäristöystävällisten käytännön prosessien kehittämiseen. Tavoitteena on kestävän kehityksen mukainen orgaanisten molekyylien valmistus ja korvaajien löytäminen öljypohjaisille yhdisteille.

Haasteellista on etenkin hiilisidosten muodostaminen, jota aldolaasientsyymeillä pyritään katalysoimaan.

”Hiilisidosten kemiallisessa synteesissä haasteena ovat esimerkiksi reaktioiden sivutuotteet. Entsyymissä kemiallinen reaktio tapahtuu spesifisesti ja sen kulku on säädellympi”, Juha Rouvinen kuvailee.

Mutaatioiden avulla voidaan parantaa muun muassa proteiinipohjaisten entsyymien lämpökestävyyttä, joka on monen teollisen prosessin edellytys.

”Yksi projektin tavoitteista on saada entsyymit tekemään kokonaan uudenlaisia hiilisidoksia. Silloin ne pystyisivät katalysoimaan erilaisia reaktioita kuin luonnossa”, Anu Koivula täydentää.

Ratkottavaa on toki edessä vielä paljon. Jo nyt maailma on kuitenkin hankkeen ansiosta aimo askelen lähempänä ympäristöystävällistä kemianteollisuutta.

Teksti: Anna Dannenberg
Kuvat: Anna Dannenberg, Juha Rouvinen ja VTT