Teksti Kemia-lehti, kuvat Istock, Turun yliopisto
Veera Nikoskelainen selvitti biokemian väitöskirjassaan, että lignoselluloosaa voidaan hyödyntää tehokkaammin ja ympäristöystävällisemmin kuin mitä nykyisin tehdään.
Lignoselluloosa on yleinen biomassa, jonka tehokas hyödyntäminen voi vähentää fossiilisten raaka-aineiden ja energian käyttöä. Jalostaminen on kuitenkin haastavaa. Väitöstutkimuksessa kehitettiin entsyymejä, jotka tehostavat lignoselluloosan jalostusta biopolttoaineiksi ja biomateriaaleiksi. Erityisesti lakkaasin tuotannon tehostaminen voi parantaa teollisten prosessien taloudellisuutta ja ympäristöystävällisyyttä.
Lignoselluloosa on maailman yleisin biomassan muoto, ja sitä käytetään monenlaisissa tarkoituksissa, erityisesti biopolttoaineena, biomassana energiantuotannossa sekä raaka-aineena erilaisissa biokemikaaleissa ja biomateriaaleissa, kuten biohajoavissa muoveissa tai pakkausmateriaaleissa.
Lignoselluloosan tehokkaampi hyödyntäminen voi auttaa hillitsemään ilmastonmuutosta korvaamalla fossiilisia raaka-aineita ja energiaa.
Monimutkainen polymeerirakenne
Materiaalin hyödyntäminen eri käyttötarkoituksiin vaatii tehokasta hajottamista, mutta lignoselluloosan hajoaminen on haastavaa sen monimutkaisen polymeerirakenteen vuoksi. Hajoamisen parantamiseksi lignoselluloosaa voidaan käsitellä esimerkiksi happokäsittelyllä, entsyymeillä tai muilla kemiallisilla menetelmillä.
”Osa käsittelymenetelmistä on ympäristölle haitallisia, mutta entsyymien avulla teollisuusprosesseja voidaan tehdä ympäristöystävällisemmiksi, sillä ne vähentävät energian ja kemikaalien tarvetta samalla, kun prosessien tehokkuus kasvaa. Monet entsyymit eivät kuitenkaan kestä prosessien vaativia olosuhteita, kuten korkeita lämpötiloja, tai entsyymien tuotanto voi olla kallista”, Veera Nikoskelainen kertoo.
Väitöksessä lakkaasin tuotanto tehostui
Nikoskelaisen väitöstyössä keskityttiin entsyymien geneettiseen muokkaukseen ja bioinformatiikan hyödyntämiseen niiden toimintakyvyn parantamiseksi.
Yksi yleisesti käytetyistä entsyymeistä on lakkaasi, joka on luonnostaan kestävä korkeissa lämpötiloissa ja emäksisissä olosuhteissa, mutta jonka heikko liukoisuus rajoittaa sen tuotannon tehokkuutta.
Tutkimuksessa lakkaasin tuotantoa onnistuttiin tehostamaan merkittävästi, mikä mahdollistaa sen taloudellisesti kannattavan käytön teollisissa sovelluksissa. Tutkimuksessa kehitetty lakkaasi osoittautui erityisen tehokkaaksi ligniinin depolymeroinnissa, mikä on keskeistä lignoselluloosan jalostuksessa uusiutuviksi raaka-aineiksi.
”Väitöskirjassa kehitetty ja kuvattu lakkaasi on ainutlaatuinen markkinoilla, sillä mikään muu sieniperäinen lakkaasi ei ole osoittanut vastaavaa lämpöstabiilisuutta ja aktiivisuutta emäksisissä olosuhteissa”, Nikoskelainen kertoo.
Entsyymien kehittäminen teollisuuden tarpeisiin on tärkeää biotalouden kestävän tuotannon edistymiseksi.
Endoglukanaasin lämmönkestävyys haasteena
Tutkimuksessa tarkasteltiin myös endoglukanaasia tavoitteena parantaa sen aktiivisuutta ja lämmönkestävyyttä. Bioinformatiikan avulla suunnitellut rakenteelliset muutokset lisäsivät entsyymin spesifistä aktiivisuutta ja muokkasivat sen substraattispesifisyyttä, eli kykyä tunnistaa tiettyjä lähtöaineita.
Lämmönkestävyyden parantaminen jäi silti tavoitteista. Kehitettyä endoglukanaasia voidaan kuitenkin hyödyntää osana entsyymikoktailia, joka tehostaa selluloosakuitujen muokkausprosesseja.
”Jotta entsyymistä saataisiin kilpailukykyisempi vaihtoehto, sen aktiivisuutta ja tuotantoprosessin saantoa on optimoitava edelleen. Lisäksi jatkossa tutkimus voisi keskittyä myös lämpöstabiiliuden parantamiseen kohdennetun evoluution avulla, jotta saataisiin aikaan lämmönkestävämpiä variantteja”, Nikoskelainen sanoo.
Entsyymien kehittäminen teollisuuden tarpeisiin on keskeinen osa biotalouden kestävän tuotannon edistämistä. Nikoskelaisen väitöstutkimuksen tulokset tarjoavat uusia mahdollisuuksia lignoselluloosan hyödyntämiseen tehokkaammin ja ympäristöystävällisemmin, mikä tukee siirtymistä fossiilitaloudesta kohti kestävämpiä ratkaisuja.
DI Veera Nikoskelaisen väitöskirja Engineering Lignocellulolytic Enzymes For Industrial Applications tarkastettiin Turun yliopiston teknillisessä tiedekunnassa 11.4.2025. Vastaväittäjänä toimi dosentti Nina Hakulinen Itä-Suomen yliopistosta ja kustoksena dosentti Jarmo Niemi Turun yliopistosta.
Lue myös: Neste on kemistin mekka – yhteisenä tavoitteena puhtaampi maailma
