koivu

Big data auttoi selvittämään rauduskoivun historiaa

La, 05/13/2017 - 19:47 Toimitus
Rauduskoivu. Kuva: Wikipedia / jordgubbe

Helsingin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet koivun lajiutumishistoriaa perimästä kerätyllä big datalla tutkimusprojektissa, jossa määritettiin kaikkiaan 150 koivun perimät.

Big data on tuttu ilmaisu esimerkiksi yritysten asiakaskäyttäytymisanalyyseistä tai internetin sosiaalisten verkkojen mallinnuksesta, mutta suuria datamääriä syntyy myös biologian alalla genomien emäsparien lukemisessa eli sekvensoinnissa.

Genomisekvensoinnin halventuminen on mahdollistanut kokonaisten yksilöryhmien eli populaatioiden genomien määrittämisen. Tästä aineistosta voidaan populaatiogenomiikan menetelmiä käyttäen tutkia jälkiä, jotka lajin historia ja luonnonvalinta on evoluution aikana genomikokoelmaan jättänyt.

Suomalaistutkimus tästä julkaistiin 8. toukokuuta Nature Genetics-lehdessä.

Vastaavanlaista tutkimusta on aiemmin tehty lähinnä ihmisillä, joista on vuosien ajan kerätty laajaa genomikokoelmaa, mutta viimeaikainen teknologian kehitys on mahdollistanut tutkimuksen myös aivan uusille lajeille. 

Tutkijat keräsivät koivunäytteitä Irlannista, Norjasta ja neljästä eri paikasta Siperiasta sekä Suomesta kuudelta eri paikkakunnalta Lopen ja Kittilän väliltä. Kaikkiaan genomeja luettiin yli 700 gigaemäsparia, mikä tuotti yli 20 teratavua tiedostoja.

Perimien laskennallinen analyysi osoitti hyvin alhaisia yksilömääriä eli populaation pullonkauloja ajanjaksoina, jolloin maapallolla tapahtui suuria ilmastollisia muutoksia. Ensimmäinen ja voimakkain pullonkaula tapahtui aikana jolloin dinosaurukset kuolivat sukupuuttoon noin 66 miljoonaa vuotta sitten.

Tämän jälkeen pullonkauloja oli 34 miljoonaa, 14,5 miljoonaa ja noin 1 miljoona vuotta sitten. Viimeisimmän pullonkaulan jälkeen koivupopulaatio on kasvanut tasaisesti, eikä viime jääkausikaan ole siihen suuremmin vaikuttanut.

Jääkauden vaikutuksesta koivut jakautuivat Siperiassa kasvavaan Aasian kantaan ja Länsi-Euroopan kantaan, jotka myöhemmin mannerjään sulaessa ovat sekoittuneet Suomessa.

Rauduskoivun lisäksi projektissa sekvensoitiin kuusi muuta koivulajia, mukaan lukien hieskoivu ja vaivaiskoivu, sekä koivun lähisukulaiset harmaa- ja tervaleppä. Rauduskoivun ja hieskoivun erottaminen toisistaan osoittautui yllättävän vaikeaksi, sillä osa rauduskoivuksi luokitelluista puista osoittautuikin genomianalyyseissä hieskoivuiksi.

"Tämä vahvistaa kaksinkertaisen kromosomiston omaavan rauduskoivun ja nelinkertaisen kromosomiston omaavan hieskoivun välillä tapahtuneen ja todennäköisesti edelleenkin tapahtuvan geenien vaihtoa", kertoo tutkija Jarkko Salojärvi Helsingin yliopiston biotieteiden laitokselta bio- ja ympäristötieteellisestä tiedekunnasta

Luonnonvalinta on auttanut koivua pärjäämään kovissa oloissa

Populaatiohistorian lisäksi projektissa koostettiin referenssigenomi ja ennustettiin koivun geenit. Perimän analyysit paljastivat yli 900 lajiutumisen aikana luonnonvalinnan alla ollutta geeniä, jotka ovat muokanneet kansallispuustamme kylmänkestävän ja nopeakasvuisen pioneerilajin. Valinnan alla olevat geenit ovat avainasemassa koivun ilmiasun muodostamisessa, minkä takia näihin geeneihin kohdistuvan jalostustyön kautta voidaan kehittää koivulinjoja erilaisiin biotalouden sovelluksiin.

"Kun kandidaattigeenit on löydetty, on jalostaminen nopeata, sillä koivu on ainoa puulaji, jonka voi kasvuolosuhteita muokkaamalla saada kukkimaan alle yhden vuoden ikäisenä, mahdollistaen yhden risteytyssukupolven kasvattamisen vuoden aikana", kertoo professori Jaakko Kangasjärvi.

"Koivulinjalle tyypillinen ominaisuus voi olla jo yhdenkin geenin takana, sillä esimerkiksi kyynelkoivun genomin sekvensointi paljasti tynkäproteiinin LAZY-geenissä", sanoo puolestaan professori Yrjö Helariutta.

Kyynelkoivu, jota käytetään puutarhakasvina, on tunnettu riippuvista oksistaan. Mutaatio vastaavassa geenissä tuottaa maata pitkin kasvavan velton ilmiasun muun muassa maississa ja lituruohossa.

Tutkimuksen tekivät Helsingin yliopistosta tekniikan tohtori Jarkko Salojärvi, tekniikan tohtori Olli-Pekka Smolander, professori Jaakko Kangasjärvi, professori Yrjö Helariutta, tutkimusjohtaja Petri Auvinen sekä Buffalon yliopistosta Yhdysvalloista professori Victor Albert. Geeniennusteiden tarkistamiseen osallistui tutkijoita Helsingin yliopiston lisäksi Turun, Itä-Suomen, Oulun, Tarton ja Uumajan yliopistoista, sekä Luonnonvarakeskuksesta.

Artikkeli perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.

 

Enemmän irti koivusta!

Pe, 03/13/2015 - 11:16 Toimitus
Kuva: Flickr / Sami_Köykkä (CC)

Luonnonvarakeskuksen tutkija Petri Kilpeläinen kehitti väitöstyössään ympäristöystävällisen menetelmän ksylaanin uuttamiseksi koivun sahanpurusta. Ympäristöystävällisyys perustuu siihen, että liuotus tehdään kuuman veden avulla.

Kehitystyö on merkittävä muun muassa biojalostamoille, joissa tarvitaan tehokkaita ja ympäristöystävällisiä menetelmiä teollisuuden käyttämien yhdisteiden erottamiseen biomassoista. Yksi tällainen teollisuuden tarvitsema yhdiste on koivun ksylaani.

"Ksylaani on hemiselluloosayhdiste, ja hemiselluloosaa on ehdotettu käytettäväksi esimerkiksi elintarvikkeiden pakkauksissa, joissa tarvitaan happea läpäisemättömiä kalvoja ja pintoja", Kilpeläinen sanoo.

Ksylaanista valmistetaan myös ksylitolia eli koivusokeria. Sitä käytetään hampaiden reikiintymistä estävänä makeutusaineena.

Uuttomenetelmä perustuu korkeaan veden lämpötilaan

Kun veden lämpötila kohoaa, sen liuotusominaisuudet muuttuvat, ja puusta saadaan irrotettua enemmän yhdisteitä. Paineistetun kuumavesiuuton aikana puusta irtoaa myös orgaanisia happoja muun muassa etikkahappoa.

"Tämä johtaa puuta hajottavien reaktioiden nopeutumiseen ja sen ansiosta puusta saadaan irrotettua enemmän ksylaania", Kilpeläinen kertoo.

Paineistettu kuuma vesi tunkeutuu puuainekseen ja pilkkoo sekä liuottaa hemiselluloosan, joka kerätään talteen uuton aikana. Vesiliukoista hemiselluloosaa voidaan muokata pelkässä vedessä, eikä sen käsittelyyn tarvita orgaanisia liuottimia tai happoja ja emäksiä.

Åbo akademiin puu- ja paperikemian laboratorioon tehdyssä väitöstyössä ksylaanin uuttaminen onnistui laboratorio-olosuhteiden lisäksi isommassa pilottikokeessa. Tutkimuksesta saatua tietoa voidaan hyödyntää, kun menetelmää laajennetaan teollisuuden tarpeisiin.

Enemmän hyötyä sahanpurusta

Sahanpurusta on aikaisemmin valmistettu sellua, mutta nykyään se on vähäistä. Yleensä puru poltetaan sahoilla pääasiassa energian lähteenä.

"Sahanpurusta saatavaa hemiselluloosaa kannattaisi hyödyntää teollisuudessa", jatkaa Kilpeläinen. 

"Näin siitä saataisiin suurempi hyöty kuin energiakäytössä. Hemiselluloosan polttoarvo ei ole kovin hyvä, joten tämänkin vuoksi olisi tarpeen, että hemiselluloosa voitaisiin uuttaa pois sahanpurusta".

Juttu on käytännössä suoraan kopioituna Luonnnonvarakeskuksen tiedote.
Otsikkokuva: Flickr / Sami Köykkä (CC-lisenssillä)

Tehdään tuohta tuohesta

Ti, 03/04/2014 - 15:39 Toimitus
Kuivun tuohta

Ellei puhdetöitä oteta huomioon, on toistaiseksi koivun ulkokuorella, eli tuohella, Suomessa lähinnä polttoarvoa. Sellutehtailla ja sahoilla koivutukit kuoritaan mekaanisesti suurissa rummuissa, joten tuohta on saatavilla suuria määriä.

Tuohelle on koitettu löytää muitakin käyttökohteita, ja nut VTT:n ja Savonlinnan yrityspalvelut Oy selvittävät osaltaan uudenlaisten tuohiperäisten tuotteiden tuotantomahdollisuuksia ja liiketoimintamalleja.

Koivu eroaa edukseen muista puulajeistamme: puolet koivutuohen painosta koostuu betuliinista ja suberiinin rasvahapoista, joilla voitaisiin korvata mäntyhartsia ja -öljyä teknokemian tuotteissa. Ne saadaan irti tuohesta liuotinuutolla ja lipeäkäsittelyllä, minkä jälkeen loput kuoriosasta voidaan polttaa.

Tuohen valkoinen väri johtuu betuliinista. Se on terveydelle vaaraton, vettä hylkivä, puhtaanvalkoinen terpeeniyhdiste. Sen jäykkä rakenne ja korkea sulamispiste mahdollistavat hyödyntämisen esimerkiksi polymeerien ja hartsien valmistuksessa.

Betuliinilla on myös bioaktiivisia ominaisuuksia, joilla voi olla tulevaisuudessa suuri merkitys. Tällä hetkellä betuliinia hyödynnetään kaupallisesti lähinnä kosmetiikassa ja luontaistuotteissa.

Myös suberiini on vaaraton rasvahapposeos. Muun muassa sen vettä hylkivä ja voiteleva ominaisuus tekee siitä teollisuuden kannalta mielenkiintoisen raaka-aineen polymeereihin, hartseihin ja voiteluaineisiin.

Betuliinin ja suberiinin jatkeilla voi korvata maaleissa, liimoissa, musteissa ja kumissa käytettyä mäntyhartsia ja -öljyä. Useista tutkimuksista ja patenteista huolimatta tuotteita ei ole vielä markkinoilla jakeiden hinnan ja niukan saatavuuden takia. Raakamäntyöljyn hinta on noussut huomattavasti viime vuosina ja trendi jatkunee, kun mäntyhartsin ja -öljyn käyttö lisääntyy biodieselin tuotannossa.

VTT tutkii betuliinista valmistettujen yhdisteiden hyödyntämistä myös vasta-aineena viruksille, alkuelämille ja bakteerille sekä syövän hoidossa. Betuliini-pohjaiset aineet ovat uudentyyppinen, lupaava yhdisteryhmä. Tehokkaimmat niistä estivät mikrobien ja syöpäsolujen kasvua erittäin hyvin VTT:n soluviljelmillä tehdyissä kokeissa.

Lisää tehoa tuotantoon!

Yhdisteiden erottaminen suuressa mittakaavassa edellyttää useiden miljoonien eurojen arvoisen uuttolaitoksen rakentamista, joten tuotantokustannukset ovat vielä tässä vaiheessa kannattavan tuotannon esteenä.

Tällä hetkellä suberiinia ei ole kaupallisesti saatavilla ja korkealuokkaisen betuliinin kilohinta pyörii jopa sadoissa euroissa. VTT:n alustavien laskelmien mukaan yhdisteiden tuotantokustannukset voisivat parhaimmillaan lähestyä raakamäntyöljystä valmistettujen jakeiden hintoja, kun uuttolaitos toimii koivuvaneritehtaan yhteydessä.

Tämänhetkisistä tuotannon esteistä huolimatta kyseessä on varteenotettava mahdollisuus Suomen puusektorille, joka tarvitsee uusia avauksia. Tätä tutkitaan parhaillaan useissa kotimaisissa ja kansainvälisissä hankkeissa.

Yksi konkreettinen hanke on vireillä Savonlinnassa. Siellä BioBarkery-hankkeessa selvitetään parhaillaan yhdisteiden tuotto- ja markkinointimahdollisuuksia. Ideaalinen sijaintipaikka voisi olla Pääskylahden teollisuusalueella UPM:n vaneritehtaan välittömässä läheisyydessä. Tehdas käyttää pelkästään koivua raaka-aineena ja kuoren polttoenergiaa ei voida hyödyntää täysmääräisesti. VTT:n, Savonlinnan yrityspalvelut Oy:n ja paikallisten yritysten toteuttama selvitys valmistuu keväällä, ja silloin ratkeaa, miten kannattavaa betuliinin ja suberiinin rasvahappojen eristäminen teollisessa mittakaavassa olisi. Haasteena on löytää sovelluskohteet, joissa suunnitellun uuttolaitoksen tuotantovolyymi ja -hinta kohtaavat.

Juttu on käytännössä suoraan lainattu VTT:n tiedotteesta Koivutuohen yhdisteistä monipuolinen bisnesmahdollisuus Suomen teollisuudelle.

Kuva: Flickr / smerikal