"Ressurssidest, mis muidu tavapäraselt ära põletatakse või komposteeritakse, otsitakse maailmas üha rohkem uut väärtust," ütleb materjaliteaduse nooremteadur Hans Priks. Teda huvitasid eeskätt bioloogilist päritolu jäätmed: neid tekib ohtralt nii põllumajanduses, näiteks kõrtena viljakoristuse käigus kui ka reoveekäitluses.

Paljusid selliseid jääke saab kasutada mikroobide n-ö toiduna, et muuta need millekski uueks ja kasulikuks. "Näiteks sobiksid ka puuvillast riided, mis koosnevad tselluloosist. Kui see peenestada ja lagundada, saab kätte glükoosi, mis on mikroobide üks meelistoitaine," toob ta näite.

Oma hiljuti kaitstud doktoritöös püüdis Priks mikroorganisme kasutavat tootmist senisest tõhusamaks muuta. Praegu kasvatatakse tootmismikroobe enamasti vedelikus: rakud pannakse toitelahusesse, keskkonda hoitakse segamise ja õhutamisega ühtlasena ning protsessi lõpus eraldatakse toode ja biomass. 

"See töötab hästi, kuid kui mõelda jäätmete väärindamisele väljaspool ideaalset laborit, näiteks reoveejaamas või mujal n-ö päris keskkonnas, kerkivad esile kaks suurt muret," osutab Priks. Esiteks ohutus ja kontroll: kui kasutada geneetiliselt tootlikumaks muudetud mikroobe, on oluline, et nad ei pääseks keskkonda. Teiseks loeb stabiilsus: väliskeskkonnas on omad mikroobid, muutuv keemia ja mehaaniline koormus, mille eest tootjad vajavad kaitset. 

Sestap katsetas Priks mikroobide töökohana uut tüüpi hüdrogeelist kuubikuid. "Kui panna nad materjali sisse, mis suudab neid kinni hoida, annab see mängimisruumi tehnoloogia ohutuks ja laiemaks kasutamiseks," arutleb värske doktor.

Tehas, hotell või Norra vangla?

Doktoritöös proovis Hans Priks valmistada justkui mikroorganismide tehast, kus nad saaksid piltlikult öeldes rahulikult oma tööd teha. "Eesmärk oli luua struktuur, kuhu toitained pääseksid võimalikult hästi ligi ja kus rakud saaksid elada, kasvada ja töötada," kirjeldab ta. Teisalt peab selline nn tehas olema piisavalt suletud: kui see viia näiteks reoveejaama, ei tohiks sealses keskkonnas elutsevad mikroobid tehasesse sisse tungida ega seda üle võtta. 

Oma töös valmistas Priks niisuguseid tehaseid mitsellaarsetest hüdrogeelidest. Tegu on veerikaste polümeersete materjalidega, mis koosnevad enam kui 70 protsendi ulatuses veest. "Kui geel on polümeriseeritud, võib see meenutada justkui kummi või kuivanud silikooni: katsudes tunned, et see on niiske, aga samas üllatavalt sitke," kirjeldab Priks. Ehkki hüdrogeel võib meenutada ka tarretist, läks ta kummisema koostise teed: "Materjal peab vastu pidama intensiivsele segamisele ja säilitama kuju ka siis, kui reaktoris on sadu või tuhandeid tükke."

Kui külmas olid kasutatud materjalid vedelad, siis toatemperatuuril meenutasid need hambapastat. Priks segas oma materjalide sisse erinevaid mikroorganisme: pärme, baktereid ja vetikaid. Samuti lisas ta initsiaatorit ehk ainet, mis pani materjali pärast printimist kõvastuma, et objekt säilitaks oma kuju. 

"Laadisin pasta süstlasse ja printisin 3D-printeriga erineva struktuuriga objekte," meenutab värske doktor. Nende materjalidega saab trükkida ka väga keerukaid struktuure, kuid laborikatsetes piirdus ta enamasti minimalistlike hüdrogeelist kuubikutega. "Võib ka ette kujutada, et see on justkui mikroobide hotell. Printides saan väga täpselt paika panna, kus keegi pesitseb – kas ühel või teisel korrusel," kirjeldab Priks. 

Seejuures peab mikroobidel olema mugav elada: piltlikult öeldes on toit laual ja tuba koristatakse ära ehk jääksaadused viiakse minema. Mõneti meenutab kuubik Priksi sõnul ka mugavat Norra vanglat, sest ükski mikroob sealt ideaalis keskkonda sattuda ei tohi. "Jõudsin arusaamale, kuhu materjale tuleks edasi arendada, et suudaksime rakke kauem kinni hoida," märgib värske doktor.

Aeglasem, aga puhtam ja korduskasutatav tootmine

Valmis kuubikute töökindlust katsetas Hans Priks õllepärmiga. Ta andis pärmile toiduks glükoosi ja mõõtis tulemusena etanooli teket. "See on küll lihtsustatud süsteem, kuid idee on laiem: keerukamates lahendustes võiksid mikroobid toota ka ravimiühendeid, ensüüme ja valke või keemiatööstusele vajalikke lähteaineid," sõnab ta.

Priksi sõnul võimaldaksid hüdrogeelkuubikud liikuda pidevtootmise suunas: selle asemel, et iga tootmistsükli järel reaktor tühjaks lasta ja puhastada, võiks ideaalis toita pidevalt süsteemi ühest otsast ja koguda toodet teisest. "See vähendaks seisakuid ja steriliseerimisvajadust, mis annaks suure aja- ja energiavõidu. Lisaks saab samu kuubikuid vajadusel korduskasutada," seletab Priks.

Samas on hüdrogeelkuubikutel praegusel kujul omad piirangud. Näiteks kulgevad bioprotsessid neis aeglasemalt kui vabalt lahuses kasvavatel rakkudel. Seetõttu ei sobiks kuubikud Priksi sõnul praegu veel hästi ravimitööstusesse, kus toodetakse suuri molekule, näiteks raviproteiine – nende liikumine läbi geeli oleks lihtsalt liiga aeglane. "Kui võrgustik on liiga tihe, pidurdab see ainete liikumist. Tuleb nuputada, kuidas teha võrgustik hõredamaks, kaotamata mehaanilisi omadusi," arutleb ta.

Kuubik kosmoses ja "üks suurus ei sobi kõigile"

Maailmas uuritakse hüdrogeele biotehaste materjalina Hans Priksi sõnul üha rohkem, sest need võimaldavad ühendada bioloogia ja insenertehnika. "Elusad rakud annavad funktsiooni, materjal annab kontrolli," täpsustab ta. 

Tulevikku vaadates võiks kuubikuid Priksi sõnul kasutada isegi kosmosereisil. "Kui kuubikud on kuivatatult kaasas, võib kriisiolukorras need lihtsalt söötmesse panna. Kuubik hüdreerub, rakud n-ö ärkavad ja toodavad vajalikku ühendit, näiteks mõnda ravimit," seletab ta. Praegu pole see veel suurtootmise lahendus, kuid erijuhtudel võib see värske doktori hinnangul olla väga paljulubav.

Priksi uuritud materjal suutis rakke kinni hoida kuni seitse päeva, mis on tema sõnul laborimõõtkavas väga hea tulemus. Protsess ise toimus kuubikus aga juba 24 tunni jooksul. Edasi uurib Priks koos kolleegidega, kuidas kuubiku ülesehitust muuta nii, et rakenduskohti oleks rohkem. Samuti huvitab teda, kas vastupidavamaid kuubikuid saaks teha teistest materjalidest, näiteks tselluloosist.

"Sain ettekujutuse, milliseid parameetreid tuleb tulevikus jälgida, kui mingit kindlat probleemi lahendama asume," tõdeb ta. Üks suurus ei sobi kõigile. Kui aga mikroobidele ehitada õiged n-ö geelihotellid, võib Priksi sõnul jäätmetest saada uus väärtus ja biotehnoloogiast turvalisem, puhtam ning paindlikum tööriist.

Hans Priks kaitses keskkonnatehnika erialal doktoritöö "Life within 3D-printed engineered living materials based on micellar hydrogels" ("Elu mitsellaarsetel hüdrogeelidel põhinevates 3D-trükitud elusmaterjalides") 29. jaanuaril Tartu Ülikoolis. Tööd juhendas Tartu Ülikooli professor Tarmo Tamm. Oponeeris Taani Tehnikaülikooli kaasprofessor Johan Ulrik Lind.