Maailman väestö kasvaa, kaupungit paisuvat, eikä peltoala voi kasvaa samaan tahtiin. Uusia ratkaisuja ihmisten ruokkimiseksi kehitetään laboratorioissa.

Espoossa VTT:ssa kehitetty Cellpod näyttää sievältä kodinkoneelta. Sen sisällä kasvaa kasvisolukkoa, jolle on annettu sokeria ja mineraaleja. Pumppu pulputtaa solukolle happea, jota se tarvitsee elääkseen ja kasvaakseen.

Joka kodin bioreaktorissa kasvaa esimerkiksi puolukkaa, mesimarjaa ja koivua. Kasvattaminen on hygieenistä ja helppoa: laitteeseen laitetaan pussi, jossa on valmiina jakautuvia soluja sekä niiden tarvitsemat eväät – solukko ei yhteytä eli se ei tuota tarvitsemaansa ravintoa. Lopputuloksena on superterveellistä solumassaa, joka sopii esimerkiksi smoothieen.

Solukasvattamoa ei voi vielä hankkia itselleen, kyseessä on prototyyppi. Yksi sen kehittäjistä on Lauri Reuter, kasvibiotekniikan alalta väitellyt tuore tohtori. Hänen mukaansa bioreaktoreissa kasvava ruoka ei tule pelkästään edistysmielisiin koteihin, vaan kyse on suuremmasta muutoksesta maailman ruokatuotannossa.

Irti maasta

Luonnossa eri lajit kilpailevat keskenään. Viljelevä ihminen muokkaa luonnon olosuhteita suosimalla joitakin lajeja toisten kustannuksella. Kasvihuoneviljelyssä pystytään kilpailun lisäksi säätelemään peltoviljelyä paremmin lämpö- kosteus- ja valaistusoloja. Bioreaktorissa ihminen määrittää olosuhteet täysin, ja yhteys luonnonympäristöön katkeaa.

Kun verrataan luonnonoloja, peltoa, kasvihuonetta ja bioreaktoria keskenään, huomataan, että erilaisten ympäristömuuttujien määrä sekä tuotannon vaatima pinta-ala vähenee. Myös ekosysteemi yksinkertaistuu äärimmilleen, ja siitä tulee myös herkkä häiriöille. Bioreaktorin olosuhteiden saaminen optimaaliseksi solujen kasvattamiseen onkin tarkkaa työtä.

Kun olosuhteet saadaan kohdalleen, on solukon tuottaminen tehokasta. Paremman sadon saa, kun kasvattaa mesimarjasoluja kotikeittiön bioreaktorissa verrattuna siihen, että kasvattaisi mesimarjoja ikkunalaudalla.

Kasvisolut ovat totipotentteja, ne voivat kehittyä miksi tahansa kasvin osaksi olosuhteiden mukaan. Jos kasvista nappaa oksan ja laittaa sen veteen, leikkauskohtaan syntyy ensin erilaistumattomia soluja, jotka alkavat vähitellen erilaistua juuriksi. Eläimillä tällaisia kantasoluja on vähän, eivätkä useimmat lajit voi kasvattaa esimerkiksi uutta raajaa katkenneen tilalle.

Bioreaktorissa kasvatetaan erilaistumatonta solukkoa, joissa on sama geneettinen materiaali kuin muissakin kasvisoluissa: lehdissä, varsissa, kukissa ja hedelmissä. Näin solukko voi periaatteessa tuottaa samoja yhdisteitä kuin itse kasvikin.

Se, mikä kasvatuksen tehokkuudessa saavutetaan, vielä toistaiseksi menetetään solujen maussa. Erilaistumaton solukko ei maistu erilaistuneelta marjalta. Asiaa voidaan korjata jalostamalla nykyistä maukkaampia solukantoja, mutta työ on hidasta. Solukko ei kuitenkaan maistu pahalta, eli sen voi aina sekoittaa maukkaampiin ruoka-aineisiin. Myös ruokateollisuus voi olla kiinnostunut ainesosasta, jolla ruokatuotteisiin saadaan helposti terveysvaikutuksia.

Maku ei olekaan ainoa kriteeri, jolla ihmiset arvottavat ruokaansa.

– Jotkut ihmiset syövät myös spirulinaa, eräät jopa vapaaehtoisesti, Reuter sanoo.

Kasvisolukot kemiantehtaina

Kasvisolukot voivat tuottaa paljon muutakin kuin ruokaa. Väitöskirjatyössään Reuter tutki viiden vuoden ajan monimutkaisten proteiinien tuottamista kasvisolujen avulla. Työn tuloksena syntyi muun muassa Hulk, geneettisesti muunneltu tupakkasolukko, jonka tuottamista proteiineista yli puolet on vihreää, fluoresoivaa proteiinia.

Kyllä, se on vihreä ja hohtaa UV-valossa. Kyllä, sen tuottamisessa on käytetty geenitekniikkaa. Ja ei, se ei ole vaarallinen, vaikka Reuter antoikin sille nimen väkivahvan supersankarin mukaan. Mutta se on aika hyvän näköinen.

Hulk ei sovellu ravinnoksi, eikä siitä ole muutakaan suoranaista hyötyä. Sen kehittämisprosessin avulla voidaan ymmärtää aikaisempaa paremmin, miten kasvisolujen evoluutio laboratorio-oloissa tapahtuu. Kasvit ovat geneettisesti huomattavasti monimutkaisempia kuin hiivat tai bakteerit, joiden avulla pystytään tuottamaan yksinkertaisia yhdisteitä. Kasvisoluviljelmien avulla pystytään tuottamaan myös monimutkaisia biomolekyylejä, joiden tuottaminen synteettisesti on lähes mahdotonta. Esimerkiksi malarialääke artemisiinin syntetisointi vaatii parikymmentä eri entsyymireaktiota. Luonnossa yhdistettä saadaan kesämarunasta (Artemisia annua).

Maailman käytetyintä syöpälääkettä paklitakselia saadaan lännenmarjakuusen (Taxus brevifolia) nilasta, jonka sinne tuottaa Taxomyces andreanae -kotelosieni. Luonnosta keräämällä yhdistettä pystyttäisiin tuottamaan potilaille vain murto-osa soluviljelyyn perustuvaan tuotantoon verrattuna. Soluviljelmän tuottama paklitakseli on puhtaampaa kuin luonnosta kerätty, ja aineen konsentraatiot ovat suurempia. Tuottamalla yhdistettä bioreaktorissa marjakuusetkin jäävät Yhdysvaltojen länsirannikolle kasvamaan, ja tuotanto pysyy kestävänä.

Solulinjoja jalostetaan täsmämenetelmällä käyttämällä eri tyyppisiä geenimuuntelutekniikoita. Niissä kasvin perimään siirretään uusia geenipätkiä bakteerien avulla. Toisena menetelmänä voidaan käyttää valintaa: kasvatetaan soluja, valitaan halutuilta ominaisuuksiltaan parhaat seuraavalle kierrokselle ja kasvatetaan soluja taas uudestaan. Usein eri menetelmiä yhdistetään, kuten myös Hulkin tapauksessa.

Yksisoluiset tulevat

Maailman ruokakysymys on myös kulttuurikysymys. Siirtyminen keräilystä viljelyyn näkyi pysyvän asutuksen muodostumisena ja ympäristön muuttumisena. Viljelymenetelmien tehostuminen on vapauttanut yhä useammat ihmiset tekemään muuta kuin peltotöitä. Samalla on syntynyt agrobisnes, joka näkyy maailman ruuan epätasaisessa jakautumisessa. Pääsy ruokaan on paitsi elämän edellytys, myös politiikkaa.

Ruuantuotannon keskittyminen bioreaktoreihin saattaa herättää monia kysymyksiä teknoruuan omistuksesta, jakautumisesta ja oikeutuksesta. Keskustelua käydään jo nyt myös siitä, millaiset jalostusmenetelmät ovat sallittuja. Muuntogeenisten siemenien ja ruuan myyntiä rajoitetaan merkittävästi verrattuna perinteisesti jalostettuihin lajikkeisiin.

Vaihtoehtoja on tarkasteltava, sillä kun ihmisten määrä lisääntyy eikä viljelyala voi kasvaa loputtomiin luonnon monimuotoisuuden kustannuksella, on ratkaistavana hankala yhtälö. Ajan myötä selviää myös, miten ilmastonmuutos ja sen lieveilmiöt vaikuttavat ruuantuotantoon. Ongelmia lisää monien ruokakasvien geneettinen yksipuolisuus.

Ratkaisuja ruokakysymykseen on etsittävä myös muualta kuin uudesta teknologiasta: voidaanko hävikkiä vähentää, voidaanko ruokaa jakaa maailmassa tasaisemmin ja voidaanko lihansyöntiä kohtuullistaa? Millainen potentiaali on hyödyntämättä kaupunkiviljelyssä? Voidaanko kotitarveviljelyä tehostaa?

Ruokaa tuotetaan bioreaktoreissa jo nyt. Esimerkkeinä voidaan mainita esimerkiksi tuttu leivinhiiva tai proteiinipitoinen quorn, jolla monet kasvissyöjät korvaavat lihaa. Teoriassa laboratoriossa kasvatettavat solukot ja kudokset tuottavat tehokkaammin ihmisen tarvitsemia yhdisteitä kuin elävät eläimet, eikä niiden kasvattamiseen liity samanlaisia eettisiä kysymyksiä. Laboratoriokasvatus saattaa myös vähentää luonnonkantoihin liittyvää keräys- ja saalistuspainetta. Teknologia kehittyy nopeasti, ja pian solut ovat myös taloudellisesti kannattava tapa tuottaa ruokaa.

Bioreaktorit saattavat myös vähentää kuljetuksia tai suoraviivaistaa tuotantoa.

– Entä jos vaikkapa marjoja voisi kasvattaa siellä, missä niitä käytetään? Näin suomalaisen mustikan terveyshyödyt olisivat saatavilla vaikka Dubaissa ilman monimutkaista logistiikkaa, Reuter sanoo.

Seuraavaksi VTT:llä aletaan tutkia sitä, miten voitaisiin kehittää marjoista solulinja, joka myös maistuisi hyvältä. Tähän asti tehdyssä tutkimuksessa valintakriteerinä on käytetty lähinnä väriä.

Ihan kaikkea ei voida eikä kaikkea kannata tehdä laboratoriossa: esimerkiksi viljoja ja sokereita kannattaa edelleen tuottaa auringon energialla. Saattaa kuitenkin olla, että tulevaisuudessa joudutaan kasvattamaan entistä enemmän ruokaa ilman siihen sopivaa luonnonympäristöä.

– Soluviljely ja suljetut ravintoketjut mahdollistavat ruuan tuotannon vaikka Marsissa. Toivottavaa tietenkin on, ettemme tuhoaisi omaa planeettaamme, eikä tähän tarvitsisi turvautua. Toisaalta, jos pystymme kehittämään järkevän ja tehokkaan tavan tuottaa ruokaa Marsissa, onnistuu se myös täällä. Bioreaktorien käyttäminen voi olla yksi ratkaisu luonnonympäristöjen säästämiseen, Reuter sanoo.

Teksti: Hanna Kaisa Hellsten
Kuva: VTT
Artikkeli on julkaistu Naturan numerossa 2/2017