JYUnity

Valo on tarkka ja syvälle pääsevä voima, jonka tutkijat Jyväskylän yliopistossa valjastavat pian pikkuruisen biokemiallisen solutehtaan ohjaamiseen. Syanobakteerin sisälle sijoitettu työkalu voi tulevaisuudessa tuottaa massoittain proteiineja tutkijoiden hyödynnettäväksi. Solutehtaan lopputuote voi olla myös biomuovia tai -polttoainetta, joita vain syanobakteerit osaavat tehdä.

Akatemiatutkija Heikki Takalan tutkimuskohteen löytääkseen on kurkistettava kasvin, levän tai esimerkiksi syanobakteerin sisälle. Siellä solujen uumenissa majailee fytokromi – valoreseptori – jonka avulla solu reagoi valoon.

”Sitä voi pitää solun silmänä”, sanoo Takala.

Kiteytettyä fytokromiproteiinia mikroskoopin linssin läpi katsottuna.

Fytokromi on proteiini, joka ohjaa kasvia kohti valoa tai bakteerien väripigmenttien tuotantoa. Se antaa kasvin siemenelle käskyn itää.

Fytokromin toimintaan perustuu sekin, että vilja pellolla kasvaa tasakorkuiseksi, eivätkä korret kurkottele toistensa yläpuolelle.

”Kasvit sopeutuvat ympäristön valo-olosuhteisiin ja valoa riittää tarpeeksi kaikille tällä kasvutavalla. Näin ne toimivat taloudellisesti”, Takala sanoo.

Kun fytokromiproteiini valjastetaan tutkijan työkaluksi, sen etuna on valolla ohjailtavuus, tarkkuus ja ekologisuus, kuvailee Heikki Takala.

Optogeneettisen työkalun kehitystyö etenee nyt rivakasti, sillä Takala ja tutkija Amit Srivastava saivat hankkeelle rahoituksen Euroopan komissiolta Marie Sklodowska-Curie Action -ohjelmasta.

Syanobakteeri voi tuottaa biomuovia ja -polttoainetta

Valmisteilla oleva uusi biokemiallinen työkalu koostuu valoa aistivasta fytokromikomponentista ja halutun geenin aktivoimisen mahdollistavasta signalointikoneistosta.

Grafiikka: Hanna Salomäki

Työkalua koodaava DNA-pätkä viedään syanobakteerin sisälle. Kun bakteerissa olevaan työkaluun kohdistuu sopivia punaisen valon aallonpituuksia, tämä laukaisee niissä proteiinin tuotannon.

Biokemiallisesti tapahtuu seuraavasti:

”Fytokromikomponentin aistinosa ottaa vastaan kahta punaisen valon aallonpituutta, punaista ja kaukopunaista, minkä seurauksena sen entsymaattinen aktiivisuus muuttuu. Tämä muutos laukaisee solun sisällä signalointiketjun, mikä johtaa halutun geenin aktivoitumiseen ja proteiinituotannon alkamiseen”, kuvailee Heikki Takala.

Takala on juuri julkaissut tutkimusartikkelin pREDusk -työkalusta ACS Synthetic Biology -lehdessä yhteistyössä Bayreuthin yliopistossa työskentelevän professori Andreas Möglichin kanssa.

Tämän työkalun pohjalta Takala ja Srivastava valmistelevat nyt syanobakteereissa toimivaa pCDusk-työkalua. Vastaavaa punaisella valolla ohjattavaa solutehdasta ei vielä löydy markkinoilta tai tutkijoiden laboratorioista.

Millaisia proteiineja haluaisitte tuottaa tällä uudella työkalulla ja millaiseen käyttöön?

”Kehittämämme työkalun avulla aiomme lopulta tuottaa biomuoveja ja -polttoainetta – materiaaleja, joita vain syanobakteerit kykenevät tuottamaan tehokkaasti.”

Takalan toiveissa on, että pienimuotoinen tuotanto eli proteiinitehdas olisi käynnissä laboratoriossa muutaman vuoden päästä Jyväskylän yliopistossa.

”Ensin työkalun proteiinikomponentit on saatava toimimaan syanobakteerin sisällä. Sen jälkeen voimme vaihtaa työkaluun geenin, joka tuottaa toivomiamme lopputuotteita”, Takala kertoo.

Entäpä suurempi teollinen toiminta?

”En sulje pois sitäkään, mutta aivan lähitulevaisuudessa tämä ei ole näkyvillä.”

Optogenetiikka sopii tarkkaan työhön – kaikki alkoi hermosoluista

Ymmärrys fytokromin toimintamekanismeista on kasvanut vähitellen. Siihen, mitä fytokromissa valoon reagoimisen hetkellä tapahtuu, on tutkittu vuosikymmeniä muun muassa rakennebiologian, biokemian ja spektroskopian menetelmillä.

Tutkija Amit Srivastava kehittää optogeneettistä työkalua Heikki Takalan kanssa.

Valoreseptorien tutkimus liittyy myös optogenetiikan alaan. Optogenetiikka yhdistetään tavallisesti etenkin neurotieteiden alalla tehtyyn työhön, mutta on laajentunut nykyään käsittämään myös muita aloja.

”Ensimmäiset sovellukset olivat neurotieteissä, kun hermosolujen ionikanavia onnistuttiin ohjaamaan valolla”, kertoo Heikki Takala.

Valon avulla ohjautuva fytokromi onkin tarkka työkalu, sillä sen avulla voidaan ohjata jopa yksittäisen solun toimintaa.

Ominaisuuksista on hyötyä myös nyt kehitteillä olevassa solutehtaassa.

”Valon avulla on helppoa ohjata kohdetta, fytokromin valoa aistiva osa on joko päällä tai pois päältä, eikä reaktion säätelemiseen tarvita kemikaaleja. Punainen valo myös etenee syvälle kudokseen tai liuokseen. Lisäksi se on tarkka, mahdollistaen jopa yksittäisten bakteerisolujen aktivoinnin”, Takala perustelee.

Fytokromien tutkimisessa Heikki Takala pääsee hyödyntämään rakennebiologian, biokemian ja solubiologian taitoja.

Biokuvantamiselle huippulaitteet Jyväskylän yliopistossa

Optogeneettisten työkalujen käyttö lisääntyy kaiken aikaa eri tutkimusaloilla, myös Suomessa. Uusia työkaluja kehitetään Suomessa kuitenkin vielä verrattain harvoissa tutkimusryhmissä.

Heikki Takala ryhtyi tutkimaan fytokromeja vuonna 2012. Proteiinien kyky aistia valoa oli kiehtovaa ja samalla Takala jo mietti ominaisuuden  soveltamista uusiin tarkoituksiin. Akatemiatutkijana Takala aloitti Jyväskylän yliopistossa syksyllä 2020. Työssään hän soveltaa yhtä lailla rakennebiologian, biokemian ja solubiologian osaamistaan.

Takala ryhmineen hyödyntää fytokromin toiminnan ja rakenteen selvittämisessä Jyväskylän yliopiston bio- ja ympäristötieteiden laitoksen sekä Nanotiedekeskuksen laitteistoja ja laboratorioita: huipputarkkoja spektroskopiankuvantamisen laitteistoja laserlaboratoriossa (Laserlab-NSC) sekä biokuvantamisen laitteistoja.

Miksi optogenetiikka on nouseva ala?

”Monet sovellukset biotekniikan tai vaikkapa lääketieteen alalla hyötyisivät paljon, jos niissä käytetyt kemikaalit ja muut kajoavat menetelmät voitaisiin korvata valolla. Valoa on helppo kontrolloida ja se ulottuu kohteisiin, joihin muut menetelmät eivät. Optogenetiikka mahdollistaisi esimerkiksi uusia terapiamuotoja, jossa kohdetta valotetaan suoraan potilaan ihon läpi. Mielestäni optogenetiikassa on vielä paljon hyödyntämätöntä potentiaalia”, sanoo Heikki Takala.

Miten bakteereja voidaan ohjata valolla? Optogenetiikan paja on avoinna Tutkijoiden yössä Jyväskylän yliopistossa Ylistönrinteellä Ambiotica-rakennuksessa perjantaina 30.9.2022 kello 17-21. Tervetuloa tutustumaan! Heikki Takala esittelee tutkimustaan myös videolla YouTubessa.