Bioinseneeria ja sünteetilise bioloogia kuldajastu on alles ees. Arvatakse, et umbes selle sajandi keskpaigas hakkavad bioloogilised süsteemid mängima väga suurt rolli paljudes tehnoloogiavaldkondades. Seda enam peab Eesti sellesse valdkonda praegu investeerima.

Paljudes vanades kõrgtehnoloogilistes tööstusharudes on meil raske „rongile hüpata“, kuna teistel riikidel on juba aastakümnetepikkune kogemus. Uusi tulijaid takistavad vanemate olijate monopoolne seisund ning intellektuaalomandi kaitse. Bioinseneerias on aga stardijoonel veel kõik koos.

Hämmastavad võimalused 

Juba praegu näeme bioinseneeria meetodite abil disainitud süsteeme meditsiinis, näiteks rakuteraapias ja bioloogiliste ravimite tootmisel rakuvabrikutes. Bioloogia võimalused hakkavad realiseeruma ka tarkades materjalides, biosensorites, elavates ning end ise parandavates tekstiilides, biopõhistes värvides ja liimides.

Oluline arendussuund on looduslikest ekstreemtingimustest pärit organismidest inspireeritud termostabiilsed ja ülitugevate omadustega materjalid.

Möödunud suvel näitasid Ühendkuningriigi teadlased, et rakkude struktuuri hoidva valgu taliini baasil saab luua kergeid ja painduvaid materjale, mille vastupanuvõime mehaanilisele stimuleerimisele on nii suur, et neid saab kasutada kaitsematerjalidena, näiteks mitmekihilises soomuses või ka killu- ja kuulivestides.

Ammendamatu ideede allikas

Loodus on ammendamatu bioinseneeria ideede allikas, kust saab võtta eeskuju uute tõhusate ja kestlike tehnoloogiate loomisel. 

Näiteks DNA on kõige kompaktsem olemasolev digitaalne andmekandja, mis pakub hoiustamisprobleemi lahendust eksponentsiaalselt kasvavale andmehulgale, mida kõrgtehnoloogiline tsivilisatsioon kokku kuhjab. DNA-kodeerimist kasutatakse ka  ravimiarenduses ravimikandidaatide sünteesiks (ingl  DNA-encoded libraries, DELs).

DNA kui digitaalse andmekandja arendussuunaga tegeleb näiteks USA biotehnoloogiaettevõte Twist Bioscience. Just viimasel paaril aastal on loodusest uute funktsioonide otsimine arenenud plahvatuslikult – põhjuseks on järjest suuremad organismide DNA andmebaasid. 

Näiteks leiti hiljuti, et kalmaari rõngashambaid moodustava valgu baasil saab toota keskkonnasõbralikke kiude ja mikroplastireostust mitte tekitavat kilet, mille rakendusvõimalused ulatuvad tervise jälgimiseks mõeldud nutikatest riietest kuni iseparanevate ja taaskasutatavate kangasteni. See ongi meie roheline tulevik ja loodusega kooskõlas elamine.

Väljapääs puidukriisist

Sel aastal tegutsemist alustanud bioinseneeria instituudi kontekstis on suurt huvi pakkuv teema geneetiliselt muundatud puud, mis kasvavad kiiresti ega paljune looduses.

Meie puidutööstus annab suure osa riigi ekspordist, ent metsades on tehtud  üleraiet, kaitsealuseid metsi on vaja hoida ning sõja tõttu on puidutööstus justkui kitsa poolsaare tipus – palgivedu on võimalik vaid lõunasuunalt. Kuidas saab meie puiduväärindamise tööstus toorainekriisist välja? 

Soome suurkontsern UPM ei ehitanud oma puidukeemiatehast mitte Soome ega ka Eestisse, vaid hoopis Uruguaysse. Lisaks rajasid nad tehase tarvis tühermaale terve eukalüptikasvanduse – tehas kasvatab ise endale metsa ja looduslik mets jääb raiumata.

Kuulsast Silicon Valley inkubaatorist Y Combinator sirgunud USA idufirma Living Carbon nimetab oma tegevust paplite genoomi ümberprogrammeerimisel häbenemata puude häkkimiseks. Ettevõttes disainiti paplid, mis kasvavad 53% kiiremini kui tavalised paplid. Miljoneid selliseid geenmuundatud puid on istutatud reostunud pinnasega kaevandusaladele, kus tavapuud ei suuda kasvada. Seal aitavad nad „ravida“ saastunud pinnast, eemaldades sellest näiteks kantserogeene.

Kui tavapuude suremus oli reostunud pinnasel 90%, siis sünteetilise bioloogia abil muudetud puudest jäi 97% ellu. Üllatuslikult kasvas puude alla ka liigirikas alustaimestik.

Üks TÜ bioinseneeria instituudi plaanidest, mida arendab koos Soome kolleegidega professor Hannes Kollist, näeb ette sarnast tegevust kaskedega. Oleks ju kena istutada kiirelt kasvavaid kaski Ida-Virumaa saastatud kaevandusaladele, siduda nende abil õhust gigatonne CO2, puhastada mullapinda, suurendada liigirikkust ning lisaks pakkuda toorainet meie puiduväärindamise tööstusele, sealjuures looduskaitsjaid ärritamata?

Uue põlvkonna labor

Geenide funktsioonid avalduvad peamiselt valkude kaudu, mida geenid kodeerivad. Suurem osa bioinseneeria tulevikust on seotud valkude disainiga. Eesmärk on loodusest avastatud valkude disainimine kasulike rakenduste jaoks meditsiinis, materjalitehnoloogias, tööstuslikus biotehnoloogias, toidutööstuses ja mujal, kuid ka täiesti uute valkude de novo disain.

Sellele aitavad kaasa andmeteadus ja tehisintellekt. Kui näiteks mõnest süvamereorganismist leitakse valgupõhine materjal, millel on äärmuslikes tingimustes ülim vastupidavus, saab selle geene mutatsioonide ja masinõppe abil optimeerida ning lisaks erinevaid geene omavahel kombineerida – et saavutada veel vastupidavam materjal, mida oleks ka odav toota.

Evolutsioon on juba suure töö teinud, edasi võtab disainimise ja konstrueerimise üle meie uue põlvkonna robotiseeritud laboratoorium Biofoundry. 

Sealt tulevaid suurandmeid analüüsivad bioinformaatika töörühmad. Andmeanalüüsi ja masinõppe abil pakutakse seejärel välja uued mutatsioonid, mida laboratooriumis uuesti testitakse. Selline disainitsükkel kordub seni, kuni oleme loonud ideaalsete funktsioonidega tehnoloogiliselt kasuliku valgu.

Veel ühe olulise valdkonnana plaanime jõuliselt arendada vaktsiinide bioinseneeriat ja viirusvalkude struktuuribioloogiat. Sellega hakkab instituudis tegelema professor Andres Meritsa uurimisrühm. 

Professor Merits on esimese Eestis konstrueeritud vaktsiini looja ja loodame, et Biofoundry võimaluste kaudu aitab instituut kasvatada pandeemiate vastu võitlemise valmidust.

Paljudest ensüümvalkudest koosnevate süsteemidega, mille ülesanne on toota bakterites hinnalisi kemikaale, tegeleb instituudi noorema põlvkonna esindaja kaasprofessor Kaspar Valgepea töörühm. Uurimisrühma maailmaklassi tõendab ka rõõmustav uudis, et Kaspar Valgepea tunnistati hiljuti Euroopa Teadusnõukogu (ERC) grandi vääriliseks.

Nende süsteemide suurandmepõhise optimeerimise eesmärk on disainida ideaalsed geenikombinatsioonid sünteetiliselt muundatud bakteritele, mis tarbivad bioreaktoris gaasfermentatsiooniks CO2 ja toodavad biopõhiseid kemikaale. Gaasfermentatsioonile on pandud suur lootus CO2 emissiooni vastu võitlemise ja bioloogilise kinnipüüdmise alal ning Valgepea rühm teeb koostööd gaasfermentatsiooni pioneeri, USA ühe hinnatuma uue põlvkonna biotehnoloogiaettevõttega Lanzatech.

Ajud jäägu Eestisse

Molekulaarbioloogiaga hakati Eestis tegelema juba 60-ndatel, peaaegu samal ajal kui mujal, kuulsates ülikoolides. Eestis on sel teadusharul olnud nii tõuse kui ka mõõnu. Üks kriitiline punkt oli nullindate algus, kui 90-ndate keerulised olud ja ajude äravool hakkasid halba mõju avaldama.

Teadusharu areng päästeti juhuse läbi, tänu Ühendkuningriigi fondi Wellcome Trust heldele toetusele aastatel 2003–2006. Karmis konkurentsis võitis mitu uurimisrühma nii Tartus kui ka Tallinnas Wellcome Trusti individuaalgrandi. Nn Wellcome’i põlvkonna järel tekkis aga suur tühimik ja ligi 20 aasta jooksul asutati uusi laboreid väga vähe.

Seetõttu oleme taas madalseisus, aga ühtlasi pöördepunktis. Nüüd peavad päästerõngaks saama uus instituut ja DigiBio projekt – ja mitte ainult päästerõngaks, vaid võimsaks arengumootoriks. 

Noori on vaja julgustada; tuleb koguda kokku noorem teadlaste põlvkond, kellel on huvi ja motivatsiooni ehitada üles uusi laboreid, uurimissuundi ja iduettevõtteid. Uuenduslikke õppetöö vorme tuleb arendada nii bioinseneeria bakalaureuse- kui ka magistriõppe raames.

Ühe radikaalse uuendusena oleme sidunud õppetööga maailma suurima sünteetilise bioloogia võistluse iGEM (International Genetically Engineered Machine). Seda tegevussuunda juhib suure pühendumuse ja eduga instituudi asedirektor kaasprofessor Ilona Faustova. Eesti võistkond pälvis mullu sadade konkurentide seas esmakordselt peaauhinna. See ülimalt motiveeriv protsess on nüüd plaanis ühendada noorte julgustamisega iduettevõtluse alal.

Biotehnoloogial on tulevikku

Läänemere-äärne regionaalne eeskuju on tegelikult väga mõjus: näiteks Taani biotehnoloogiaettevõte Novo Nordisk on Euroopa suurima väärtusega ettevõte ning Leedu biotehnoloogiaettevõte Thermo Fisher Scientific Baltics omakorda Balti riikide kõige väärtuslikum ettevõte.

Kogu Eesti teadlaskonna ja instituudi suur proovikivi on Eesti majanduse struktuuri muutumine. Majandusmudelid, mis tõid meid siia, ei vii meid arengus enam edasi. On vaja leida uued süvatehnoloogilised tegevussuunad ja ainult infotehnoloogiast ei piisa.

Kuigi meie biotehnoloogiasektor on arenenud tagasihoidlikult, on regionaalses koostöös potentsiaali palju. Leedu plaanib biotehnoloogiapargi ehitusse investeerida miljardeid ning suur osa meie tähtsa partnerriigi Taani majandusest ja teadusest keerleb Novo Nordiski ümber. On hinnatud, et 40% Taani tööstuse töökohtadest on seotud bioinseneeria ja rakuvabrikutega.

Eestis loodud rakendusuuringute keskuse (RUK) üks tegevussuund on biorafineerimine ja varsti näeme kerkimas katsetehast. Bioinseneeria instituut plaanib teha RUK-iga tihedat koostööd, olles tehnoloogiaarenduse protsessis tehasele eelnev lüli. Kavas on tuua siia ka riskiinvestorid ja luua Balti biotehnoloogia iduettevõtete ökosüsteem. 

Seda aitab teha Läti koordineeritav Euroopa Komisjoni projekt Bioconnect, mille eesmärk on kujundada Baltimaades ja Soomes ühtne bioinseneeria ja sünteetilise bioloogia võrgustik. Projektis osaleb partnereid kõigist neljast riigist. Meie soovime laiendada Taani edulugu ka ida poole ja süvendada ideed Läänemere regioonist kui tuleviku biotehnoloogia kasvulavast.

Tähtis on areng ja uute suundadega kaasa minek, mitte status quo tekitamine. Eesti on väike riik ja seda enam peame olema dünaamilised, paindlikud  ja avatud uutele ideedele. Tähtis on teaduse vabadus areneda ja ka riskantseid ideid ellu viia.

Bioinseneeria instituudi loomine peab andma noorteadlastele võimaluse teha seda, mis neid intellektuaalselt sütitab, olgu see siis avastusteadus või rakenduslik arendustöö ja iduettevõtlus. 

Konkurentsi ja arenguga kaasas käivad maailma tippülikoolid on järjest asutanud uutele globaalsetele katsumustele lahendusi otsivaid instituute. Ka Tartu Ülikool peab nendega sammu pidama. Loodame, et bioinseneeria instituudi initsiatiivile järgneb selliseid algatusi veel.

Uus teaduskeskus – bioinseneeria instituut – viib ellu paradigmanihet bioloogias

Tartu Ülikooli loodus- ja täppisteaduste valdkonnas on uuest aastast 11 instituuti: senisele kümnele lisandus aasta alguses tööd alustanud bioinseneeria instituut, mille meeskond on välja kasvanud tehnoloogiainstituudist.

tartu_ulikooli_uue_oppe-_ja_teadushoone_voidutoo_sudoku_1_2.jpeg

Bioinseneeria instituut kolib koos mitme teise instituudiga 2029. aastal valmivasse majja, mille arhitektuurikonkurss lõppes mullu sügisel. Illustratsioon: Kauss Arhitektuur OÜ ja Väli OÜ / Tartu Ülikool

Kui molekulaarsel tasemel elusloodust käsitlev bioloogia on olnud peamiselt kirjeldav teadus, siis nüüd on see suuresti muutumas inseneriteaduseks. Instituudi nimes sisalduv bioinseneeria viitabki paradigmanihkele.

Loomulikult on inseneritöö geenidega kestnud aastakümneid, kuid senine tegevus on hõlmanud tavaliselt vaid üksikuid geene. Bioinseneeria ja sünteetiline bioloogia aga võtavad ette kogu genoomi või ka tuhandeid mutatsioone üksikutes geenides korraga, et disainida elulisi funktsioone ümber hoopis suuremas mastaabis. Siin tulevad appi robotiseeritud eksperiment ja suurandmetöötlus. Need kaks elementi ongi instituudi uue suuna tuum.

Bioinseneeria instituut asutati Euroopa Komisjoni ja Eesti riigi toel meetme „Teaming for Excellence“ raames projekti DigiBio elluviimiseks – või teistpidi öelduna, projekt DigiBio kutsuti ellu, et luua iseseisev teaduskeskus instituudina, mis areneb suuremaks ja tegutseb pärast kuueaastase projekti lõppu edasi. DigiBio annab initsiatiivi, aitab instituudil käivituda ning laieneda üksuste ja laborite loomise ning tihedate partnerlussuhete abil.

Instituudi partnerid on Taani Tehnikaülikooli Novo Nordiski fondi bioloogilise jätkusuutlikkuse keskus ja Tallinna Tehnikaülikooli bioinseneeria laborid. Instituudi asutajateks on Mart Loogi, Andres Meritsa, Hannes Kollisti ja Kaspar Valgepea töörühmad tehnoloogiainstituudist. Juurde luuakse uued üksused: bioinseneeria katseplatvorm suurandmete kogumiseks, bioinseneeria digitaliseerimise üksused ja tehnoloogiasiirde üksus. 

Instituuti liiguvad ka puidukeemia ja biotöötluse tuumiklabor, Ilona Faustova juhitud ingliskeelne loodusteaduste ja tehnoloogia bakalaureuseõppekava ning esialgu veel tehnoloogiainstituudiga koos koordineeritav biotehnika magistriõppekava.