Ülikooli molekulaarbioloogid tõid valgutootmisse käiguvahetuse

Tartu Ülikooli hargettevõte Gearbox Biosciences tuleb turule uuendusliku leiutisega, mis aitab vähendada antibiootikumide kasutamist biotööstuses ja ühtlasi antibiootikumiresistentsete bakterite leviku ohtu.

Startup Dayl 125 000 euro suuruse investeeringu võitnud osaühingu Gearbox Biosciences meeskond on välja töötanud uue tehnoloogia geneetiliselt muundatud mikroobide kasutamiseks, et toota valke tõhusamalt ja ilma antibiootikumideta. See meetod aitab praegu valdavalt naftasaadustel põhinevat keemiatööstust tulevikus asendada kestliku biotootmisega.

„Oma leiutise tehnoloogiast pole me siiani avalikult rääkinud,“ ütleb intervjuus Arvi Jõers, ettevõtte eestvedaja ja Tartu Ülikooli molekulaarse mikrobioloogia kaasprofessor. „Nüüd on patent sisse antud ja võime seda teha. Võib vast öelda küll, et kui räägime valgutootmise tehnoloogiast bakterite abil, on tegu viimase paari-kolmekümne aasta suurima edasiminekuga.“

Milleks on vaja valke toota?

Valgud on üks suur molekulide grupp, mida kasutatakse väga mitmesugusel otstarbel. Kõik inimesed puutuvad tööstuslikult toodetud valkudega igapäevaelus kokku, kuigi ei pruugi seda endale teadvustada. Valgud on näiteks pesuvahendites. Küsige vanaema käest, kui kõrge temperatuur pidi olema, kui pesumasinas oli puhastusaineks ainult seep. Tänu ensüümidele – ühele valkude alamosale – saame riided puhtaks 30-kraadise veega; kui neid ei oleks, peaksime pesu pesema vähemalt 60 kraadi juures.

Ka paljud ravimid on valgud. Näiteks insuliin, mida diabeetikud iga päev vajavad, on valk, mida peavad tootma elusrakud.

Valke saab toota ainult rakkude abil, keemik laboris ei saa seda ilma elusrakkudeta teha. Selleks kasutatakse biotootmises nii baktereid kui ka teisi elusrakke, näiteks pärmi- või ka imetajate rakke. Meie tehnoloogia töötab ainult bakterites.

Bakterirakud kasvavad ja toodavad valku suurtes tünnides, bioreaktorites, kus neile antakse toitaineid ja luuakse sobivad tingimused. Vajalik produkt tuleb rakumassist hiljem välja puhastada. Seda saab teha väga erinevat moodi, ka mitut meetodit omavahel kombineerides. Nii saab lõpuks kõikidest muudest valkudest ja rakusisestest osadest lahti ja järele jääb ainult see üks valk, mida meil on vaja.

Miks kasutatakse valgu tootmisel antibiootikume?

Kui valke toodetakse bakterite abil – see on üsna levinud –, on tehnilistel põhjustel selles protsessis tarvis kasutada ka antibiootikume. Kui me seda ei tee, loobuvad bakterid õige pea valgu tootmisest. Antibiootikume on sel otstarbel kasutatud pikka aega ja väga suures koguses. Näiteks kasutab üks tööstuslik 50-tonnine bioreaktor aastas umbes sama palju antibiootikume kui 100 000 inimest ehk kõik Tartu linna elanikud kokku. Sealjuures võib ühes tehases olla mitu bioreaktorit, ent tegu on ju ainult ühe tehasega. Nii et biotööstuses vajalikud antibiootikumikogused on väga suured.

Kuidas mõjutab nii suur antibiootikumide kasutamine tootmises keskkonda?

Ideaaljuhul valkude tootmisel kasutatud antibiootikumid keskkonda ei jõua. Praktikas toob paraku igasugune antibiootikumide laialdasem kasutamine kaasa selle, et suureneb ravimiresistentsuse leviku risk. See tähendab, et teatud nakkushaigusi ravida on väga keeruline või lausa võimatu. Ilmuvad üha uued haigustekitajad, mis ravile väga hästi ei allu, ja see on meditsiinis suur probleem. Seepärast püütakse antibiootikume kasutada võimalikult vähe – teatavasti on Euroopa Liidus nüüd keelatud antibiootikumide kasutamine põllumajanduses kasvuergutajatena.

Lisaks keskkonda sattumise ohule on nende kasutamine ettevõttele väga kulukas: toodetud aine ei tohiks pärast puhastamist enam antibiootikume sisaldada; neist vabanemiseks tuleb sageli välja töötada lisapuhastusetapid. Tootjatel on iga tootmistsükli järel vaja vabaneda kümnetest tonnidest jäätmetest, mis sisaldavad antibiootikume. USA ja Euroopa Liidu ravimiametid nõuavad samuti biotootmises antibiootikumide kasutamise lõpetamist. Viimasel ajal ei taha ka kindlustusfirmad kindlustada neid biotootmistehaseid, kus antibiootikume suures mahus kasutatakse, sest õnnetuse korral, kui jäätmed peaksid loodusesse sattuma, on kahju määratu.

Nii et vajadus uue tehnoloogia järele on väga suur ja meie püüamegi oma leiutisega saavutada seda, et antibiootikume ei oleks valgutootmises enam vaja.

Selleks kasutate geneetiliselt muundatud mikroobe.

Jah, tööstuses kasutatakse geneetiliselt muundatud mikroobe. Meie oleme ehitanud sellise mikroobi, mis ei vaja enam antibiootikume, et efektiivselt valke toota. Me modifitseerime bakteri DNA-d: kõigepealt konstrueerime laboris õige DNA konfiguratsiooni valmis ja seejärel paneme selle bakteritesse.

Milliseid baktereid te kasutate ja millega neid toidate?

See on üsna levinud bakter – eesti keeles kolibakter, ladina keeles Escherichia coli. Laboris kasutatava kolibakteri tüvi inimestele ohtlik ei ole ja seda kasutatakse nii laborites kui ka tööstuses kõige rohkem. Toidetakse teda glükoosiga, mis pärineb maisist või ka puidutootmisjäätmetest.

Milline tehnoloogia on teie leiutatud valgutootmise taga?

Meie eriline bakteritüvi põhineb kahel baastehnoloogial, mille oleme ise välja mõelnud ja valmis ehitanud. Esimene neist võimaldab meil bakteritele märku anda, et nüüd enam ei kasva, nüüd hakkate ainult tootma.

Bioproduktsiooniks on vaja need kaks protsessi lahutada – kõigepealt lastakse biomassil kasvada ja siis tuleb tootmine sisse lülitada –, sest kui tootmine ja kasv omavahel võistlevad, ei ole kumbki optimaalne. Ei saa ju ehitada tehast nii, et see samal ajal midagi toodab.

Meie oleme leidnud väga efektiivse „lüliti“, kuidas bakterite kasv ära lõpetada. Isegi kui nad piltlikult öeldes tahaksid veel süüa ja kasvada, oskame meie öelda: poisid, nüüd on kasvamisega kõik, nüüd hakkame tootma. Seda lülitit saab reguleerida bioreaktori temperatuuri muutmisega, mis käivitab bakterites sisemise signaali, nii et bakter lõpetab kasvamise ja hakkab valku tootma.

Tahame selle avastuse ka praktikasse viia. Ülikoolist kandub meie tegevus üle iduettevõttesse, mida hakkame nüüd üles ehitama.

Praegu oleme sellises faasis, et oleme leidnud esimesed koostööpartnerid. Meil on tehnoloogia ja teeme koostööd ettevõtetega, kellel on produkt, mida nad tahavad toota ja arendada.

Kes on teie meeskonnas ja kui lihtsalt teadlastel käis ülikooli hargettevõtte ülesehitamine?

Meeskonnas on kolm liiget: Marje Kasari, Villu Kasari ja mina. Meie kolmekesi töötasime tehnoloogia välja ja ehitame ka ettevõtet üles. Oleme kõik molekulaarbioloogid, Marjel on lisaks keemiaharidus.

Teadlase jaoks ei ole ettevõtte loomine kindlasti lihtne protsess. Alustasime oma teadusprojektiga ja meil polnud aimugi, kas see töötab. Siis vaatasime, et sel võib olla tööstuses praktiline väärtus. Hakkasime oma ideele ülikooli kaudu patenti taotlema. Meil oli teadlastele ilmselt üsna tüüpiline naiivne ettekujutus, et kui meil on patent, siis kõik tahavad meilt seda ära osta ja küll me saame rikkaks. (Naerab.)

Patendi omamine on praktilisest rakendusest veel üsna kaugel. Tasapisi saime aru, et kui tahame, et see avastus ka praktilisse ellu jõuaks, peame sellega ise tegelema. Nii Gearbox Biosciences sündiski.

Teadusprojektiga alustasime 2018 ja ettevõtte tegime 2021.

Gearbox tähendab käigukasti?

Jah, meie oma tehnoloogiaga suudame bakterite elutegevuses käiguvahetuse teha. (Muheleb.)

Tutvustasite oma ideed tänavu märtsis toimunud Startup Day välkkõnevõistlusel ja võitsite 125 000 euro suuruse investeeringu. Kuidas on plaanis seda kasutada?

See investeering kulub ettevõtte kõikvõimalikele vajalikele tegevustele ja me loodame veel investeeringuid kaasata – et leiaksime kliente, kel on päriselt vaja meie tehnoloogiat kasutada ja kes on nõus selle eest raha maksma. Äriarenduse protsess on praegu kõige olulisem.

Loomulikult jätkame ka tehnoloogia arendamisega, aga ainult laboris tehnoloogiat arendada ja loota, et tuleme välja perfektse tootega, ei saa. Algusest peale tuleb rääkida võimalike klientidega, saada aru, mis mured neil on, ja püüda neid lahendada.

Kui alustasime, käisime esmalt klientidele oma lülititehnoloogiat pakkumas, antibiootikumivaba tootmist meil toona veel ei olnud. Kohtusin ühe potentsiaalse kliendiga Ühendkuningriigist, ta kuulas paar minutit mu juttu ja ütles: „Jajaa, see kõik on väga tore, aga kas sa saad valgutootmist antibiootikumivabalt ka teha?“

Labori tasemel sellist probleemi ei eksisteerinud. Meie toodame oma uurimisotstarbeks valke ühe-kahe liitri kaupa ja selleks antibiootikumide kasutamine ei ole mingi probleem, neid kulub väga väikeses koguses. Aga kui on vaja valke toota kümnete tonnide suurustes bioreaktorites, muutub see suureks probleemiks. 

Kuskilt tuli veel samasugust infot, läksime tagasi laborisse ja mõtlesime, kas me saame oma süsteemi modifitseerida nii, et see oleks antibiootikumivaba. Tekkis idee, ehitasime selle bakteris üles ja ma arvan, et nüüd ongi just see meie süsteemi põhiline väärtus.

Märtsi lõpus andis meie töörühm patendiametile üle antibiootikumivaba valgutootmise süsteemi patendi. Aprillis on tehnoloogia avalik esitlus: muu hulgas teeme valmis ka videoklipi, mis kirjeldab antibiootikumivaba valgutootmise protsessi.

Artikkel ilmus algselt ajakirjas Universitas Tartuensis.