Millennium Frances Arnold

Millennium-palkittu professori Frances Arnold kiihdyttää laboratoriossa entsyymien evoluutiota. Lopputuloksena syntyy entistä parempia ja ympäristöystävällisempiä polttoaineita, paperituotteita, lääkkeitä ja maatalouden kemikaaleja.

Jälkiviisauden erehtymättömässä valossa Millennium-teknologiapalkinnon tänä vuonna voittaneen biokemisti Frances Arnoldin innovaatio vaikuttaa itsestään selvältä. Caltechissa (California Institute of Technology) kemiantekniikan, biotekniikan ja biokemian professorina toimiva Arnold palkittiin työstään suunnatun evoluution kehittäjänä. Suunnattu evoluutio matkii luonnonvalintaa laboratoriossa.

Suunnatussa evoluutiossa jalostetaan entsyymeille sellaisia hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka eivät kehittyisi ilman ihmisen ohjausta. Sinänsä jalostamisessa ei ole mitään uutta. Onhan ihminen jalostanut jo tuhansien vuosien aikana viljelykasveja ja eläimiä. Jalostamisessa valitaan hyödyllisiä ominaisuuksia kantavat kasvien ja eläinten yksilöt jatkamaan sukuaan.


”Suunnatun evoluution avulla entsyymeille voidaan jalostaa sellaisia hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka eivät kehittyisi ilman ihmisen ohjausta.”

Arnold alkoi 1990-luvun alussa kehittää menetelmiä, joilla jalostus ulotettiin entsyymien DNA-rakenteeseen. Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä, tyypillisesti proteiineja, joiden tehtävä luonnossa on muuttaa yhdisteitä toisiksi. Arnoldin menetelmän avulla entsyymin DNA-rakenteeseen voidaan tehdä sattumanvaraisesti mutaatioita, kuten luonnossakin spontaanisti tapahtuu. Muokatut geenit tuottavat aivan uudenlaisia proteiineja, joiden joukosta valitaan teollisuusprosessien kannalta hyödylliset.

Professori Arnoldin mukaan ajatus ulottaa jalostaminen entsyymien DNA:han voi hyvinkin vaikuttaa jälkikäteen ajateltuna itsestään selvältä. Mutta silloin kun hän aloitti työnsä suunnatun evoluution parissa, se oli kaikkea muuta kuin itsestään selvää.

”Tuolloin vallinneen ajattelun mukaan biokemistien tehtävä oli ymmärtää tarkkaan, miten entsyymit toimivat”, Arnold kertoo. ”Vasta kun ymmärtäisimme tämän yksityiskohtaisesti, voisimme valmistaa proteiineja haluttuihin käyttötarkoituksiin.”

”Huomasin kuitenkin aika pian, että me ihmiset emme osaa valmistaa entsyymejä. Mieleeni juolahti ajatus, että entäpä jos antaisimme luonnon hoitaa itse tämän puolen asiasta”, professori Arnold muistelee.

”Evoluutio on saanut aikaan planeettamme kauneimmat, monimutkaisimmat ja toimivimmat ratkaisut. Vain evoluution avulla voimme tuottaa sellaista, mitä emme kykene ennalta suunnittelemaan. Siksi tätä maailman parasta luonnon insinööritaitoa kannattaa käyttää hyödyksi.”


”Evoluution avulla voidaan tuottaa jotakin sellaista, mitä ei kyetä ennalta suunnittelemaan.”

Arnold alkoi tutkijaryhmineen tuottaa laboratoriossa proteiineihin tuhansia ja taas tuhansia mutaatioita. Näistä valittiin hyödyllisimmät jatkojalostukseen. Toisin sanoen, proteiineja jalostetaan samalla lailla kuin vaikkapa kissoja, koiria tai viljelykasveja. Entsyymien jalostaminen laboratoriossa on tosin huomattavasti nopeampaa. Tätä nykyä uusia sukupolvia voi synnyttää jopa kymmenen päivässä.

Arnold_1web

Professori Arnoldin kehittämät innovaatiot ovat mullistaneet proteiinimuokkauksen, ja hänen menetelmänsä ovat käytössä sadoissa laboratorioissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Koska biokemialliset reaktiot perustuvat entsyymeihin, suunnattua evoluutiota voidaan hyödyntää mitä moninaisimmilla aloilla. Muokatuilla proteiineilla korvataan esimerkiksi kallista tai fossiilisia raaka-aineita käyttävää tuotantoa muun muassa polttoaineiden, paperituotteiden, lääkkeiden, tekstiilien sekä maataloudessa käytettävien kemikaalien valmistuksessa.

Suunnatulla evoluutiolla valmistetaan muun muassa entsyymejä, jotka muuttavat kasvien selluloosaa biopolttoaineiksi tai kemikaaleiksi. Uusiutuviin raaka-aineisiin ja biotekniikkaan perustuvan vihreän kemianteollisuuden luominen onkin ollut yksi Arnoldin suurimmista tavoitteista.

”Koko urani ajan olen ollut huolestunut vahingosta, jota ihmiset aiheuttavat maapallolle ja toisilleen. Tieteellä ja teknologialla voimme radikaalisti pienentää kielteisiä vaikutuksiamme ympäristöön”, hän toteaa.

Palkitun menetelmän tärkeäksi sovellutusalaksi on vihreän kemian ja uusiutuvan energian ohella noussut myös lääketeollisuus. Arnoldin innovaatiolla voidaan rakentaa entsyymejä entistä tehokkaampaan lääkkeiden valmistukseen. Menetelmällä on luotu useita lääkkeitä, esimerkiksi uudenlainen lääke tyypin 2 diabetekseen.


”Konkreettisten ongelmien ratkaisu on aina ollut oleellisessa roolissa suunnatun evoluution kehittämisessä.”

Insinöörin koulutuksen hankkinut Arnold kertoo työskennelleensä aina tiiviisti yhdessä yritysmaailman kanssa. Jo suunnatun evoluution kehittämisen alkuvaiheessa hän sai teollisuudelta konkreettisia pyyntöjä uusien entsyymien luomiseksi. Tällaiset haasteet edesauttoivat tutkimustyötä.

”Vaikka teemmekin osittain perustutkimusta, konkreettisten ongelmien ratkaisu on aina ollut oleellisessa roolissa suunnatun evoluution kehittämisessä.”

Professori Arnold on edistänyt suunnattua evoluutiota myös yrittäjän ominaisuudessa. Hän on ollut mukana perustamassa tai neuvonantajana tusinassa startup-yrityksessä. Esimerkkeinä mainittakoon vaikkapa biopolttoaineisiin keskittyvä Gevo ja hyönteismyrkyille korviketta valmistava Provivi.

”Olen hyötynyt tutkimustyöstäni myös taloudellisessa mielessä”, Arnold kertoo. ”En kuitenkaan ole mikään miljardööri. Tärkeintä minulle yritystoiminnassa on se, että pääsen näyttämään, miten innovaatiomme toimivat käytännössä.”

Arnold kieltäytyy kohteliaasti antamasta suoria sijoitusvinkkejä suunnatusta evoluutiosta kiinnostuneille. ”Koko tämä kenttä on kuitenkin äärimmäisen kiinnostava myös sijoitusmielessä”, hän toteaa. Millennium-palkinnosta saatavat rahat hän aikoo itse sijoittaa osittain startuppeihinsa ja osittain kolmen poikansa yliopisto-opintoihin.

Professori Arnold on oiva valinta vuoden 2016 Millennium-teknologiapalkinnon saajaksi. Tekniikan Akatemia TAF:in myöntämä ja työ- ja elinkeinoministeriön rahoittama miljoonan euron palkinto jaetaan kahden vuoden välein uraauurtavalle teknologian innovaatiolle, joka parantaa ihmisten elämänlaatua ja edistää kestävää kehitystä. Palkittavan innovaation on oltava jo sovellettu käytäntöön, ja sillä on saatava aikaan mittavia muutoksia nyt ja tulevaisuudessa. Lisäksi innovaation on edistettävä korkealaatuista tieteellistä ja teknologiaan liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä. Kymmenvuotisen historiansa aikana palkinto on jaettu kahdelletoista merkittävälle innovaatiolle. Sen ovat saaneet muun muassa World Wide Webin kehittäjä Tim Berners-Lee ja Linux-käyttöjärjestelmästä tunnettu Linus Torvalds. Frances Arnold on ensimmäinen Millennium-palkittu nainen.

Fim Lounge Teri Heilala
”Iloitsemme kumppanuudestamme Millennium-teknologiapalkinnon kanssa. Toisin kuin monia muita palkintoja, Millennium-palkintoa ei myönnetä elämäntyöstä. Voittaakseen palkinnon, innovaation täytyy parantaa ihmisten elämänlaatua ja tuottaa mitattavia tuloksia.”

Teri Heilala on FIMin toimitusjohtaja.

31.05.2016