Partnerid

Rando Tuvikene

Asutus(ed) ja instituut/instituudid  Tallinna Ülikooli, Loodus- ja terviseteaduste instituut

Uurimisrühma juht:  prof Rando Tuvikene

Liikmed (sh doktorandid): Marju Robal, Renu Geetha Bai; doktorandid: Kadri Saluri, Musa Howlader, Amal Dharmapriya Premarathna Deliwala Ambegoda Gedara, Sanjida Hymayun.

Uurimisrühma tegevust iseloomustavad võtmesõnad: merevetikad, polüsahhariidid, pigmendid, taimsed aktiivained, merebakterid, biotehnoloogia, ensüümtehnoloogia, reoloogia, biopolümeeride molekulaarstruktuur, funktsionaalsed materjalid, bioloogiline aktiivsus, tootmisprotsessid ja tehnoloogiad.

Tegevuse ülevaade

Uurimisrühm tegeleb merebiomassidest biopolümeeride ja madalmolekulaarsete aktiivainete eraldamisega ning nende ainete puhastamise, funktsionaliseerimise ja omaduste selgitamisega. Eesmärgiks on loodusressurisside maksimaalne ärakasutamine ning seeläbi tööstusjääkide hulga vähendamine. Merebiomassidest pärinevate komponentide baasil töötatakse välja uudseid funktsionaalseid materjale ja visko-elastseid süsteeme. Uurimisrühmal on eriti laialdased kogemused sahhariidide (eriti galaktaanide, fukaanide, alginaatide, kitosaanide) valdkonnas, tegeletud on merevetikate (puna-, pruun- ja rohevetikad), rannakarpide, krevettide, merikurkide jms väärindamisega, sh rakendades ensüümtehnoloogiaid ja muid keskkonnasäästlikke menetlusi.

Uurimisrühma kogurahastamine 2020 (0.1 MEUR täpsusega): 0,3 MEUR.

Ettevõtluskoostöö partnerid ja teemad viimase 5 aasta jooksul

• Est-Agar AS (Eesti, 2021 sõlmitud ka strateegilise koostöö leping) – furtsellaraani tootmistehnoloogia arendused ja tootmisproduktide kvaliteedi kontroll.
• SINTEF (Norra) – merevetikatest pärinevate komponentide uudsed rakendused.
• Vetik OÜ (Eesti) – vetikatest pärinevate pigmentainete eraldamise ja puhastamise tehnoloogia arendused.
• Furcella OÜ (Eesti) – vetikatest pärinevate funktsionaalsete biomolekulide kasutamine kosmeetikatoodetes.
• Chemi-Pharm AS (Eesti) – sahhariidide kasutamine desovahendites.

Peamine aparatuur, oskusteave, kaitstud intellektuaalomand

• Spetsialiseeritud aparatuur merebiomasside purustamiseks (jahutusega veskid, kuuljahvatid, sh krüogeenne jahvatus vedela lämmastiku temperatuuril), eeltöötluseks (sh kõrge intensiivsusega sonikeerimise võimalus) ning neis sisalduvate komponentide fraktsioneerivaks ekstraktsiooniks.
• Dünaamiline reomeeter (geomeetriad: PP, CP, kontsentrilised silindrid) – viskoelastsete materjalide/süsteemide reoloogiliste omaduste tuvastamine (sh temperatuurigradiendis), tarrete sulamise ja geelistumise tuvastamine.
• HPLC-RI (SEC) – polüsahhariidide molekulmasside (Mp, Mw, Mn, Mz) ja polüdisperssuse määramine, polüsahhariidide kvantifitseerimine.
• HPLC-PDA (SEC) – aktiivainete kvantifitseerimine, valkude molekulmasside määramine.
• HPLC-FL (fuorestsentsdetektor) – pigmentide kvantifitseerimine.
• HPLC-PAD (elektrokeemiline detektor pulssamperomeetria režiimis) – madalmolekulaarsete sahhariidide kvantifitseerimine pM kontsentratsoonides, oligosahhariidide kvantifitseerimine, polüsahhariidide monomeerkoostise tuvastamine hüdrolüüsile järgnevalt.
• HPLC-ELSD – biopolümeeride kvantifitseerimine.
• GC-MS/FID – polüsahhariidide monomeerkoostise tuvastamine.
• Automatiseeritud ultrafiltrimise süsteem (andurid: pH, elektrijutivus, UV-neelduvus, vooluhulgad, rõhud, retentaadi ja ultrafiltraadi massid) – ekstraktide suuremahuline fraktsioneerimine ja puhastamine.
• FT-IR/FT-Raman (1064 nm laser) – toormete, bioproovide ja tööstusproduktide karakteriseerimine, kvaliteedikontroll, kitiini ja kitosaani atsetüülituse astme määramine.
• Nefelomeetria, Peltier termostateeritud spektrofotomeetria – jookide hägususe hindamine, preparaatide selitusefektiivsuse tuvastamine, faasiüleminekutega kaasnevad optilised nähtused geel-sool süsteemides.
• Biotoimete hindamine eukarüootsetel rakukultuuridel, polüsahhariidide ensümaatiline ja keemiline modifitseerimine, türosinaasi inhibeerimise tuvastamine (nahka pleegitavad omadused), antikoagulantsuse (aPTT, TT), antioksüdantsuse, antibakteriaalsuse hindamine.

Seadmete mudelid on nähtavad aadressilt: https://www.tlu.ee/lti/teaduslaborid/lti-molekulaarteaduste-labori-oluline-teadusaparatuur

Pakutavad teenused

• Biomolekulide ekstraktsioon biomassidest.
• Biopolümeeride funktsionaliseerimine.
• Polüsahhariidide igakülgne karakteriseerimine.

Koostöösoovid Eesti ettevõtetega

• Merebiomasside väärindamine, sh selleks vajalike tehnoloogiliste lahenduste väljatöötamine.
• Polüsahhariidide eraldamise, puhastamise, funktsionaliseerimise ja omadustega haakuvad temaatikad.
• Polüsahhariididel põhinevate funktsionaalsete visko-elastsete süsteemide väljatöötamine.

Priit Väljamäe

Uurimisrühma juht: kaasprofessor Priit Väljamäe
Kontaktandmed: Riia 23b – 202, Tel: 737 5823, priit.valjamae@ut.ee

Uurimissuunad
•    Tõrksate polüsahhariidide (tselluloos ja kitiin) ensümaatiline lagundamine
•    Redoksreaktsioonid lignotselluloosi lagundamisel

Uurimistöö kirjeldus

Inimesed
Priit Väljamäe, kaasprofessor, PhD, priit.valjamae@ut.ee
Silja Kuusk, teadur, PhD, silja.kuusk@ut.ee
Jürgen Jalak, teadur, PhD, jyrgen.jalak@ut.ee
Alexander Rannar, magistrant
Alexey Nesterovich, bakalaureusetudeng
Alisa Kamnerov, bakalaureusetudeng

Teadustöö

• Struktuursed polüsahhariidid – tselluloos ja kitiin – kätkevad endas tohutut taastuvsüsiniku varu. Nende ensüüm-vahendatud väärindamine pakub rohelist ja jätkusuutlikku alternatiivi traditsioonilisele, nafta kasutamisel põhinevale tööstusele. Paraku muudab tselluloosi ja kitiini kristalliline ehitus nad ensüümidele raskesti lagundatavaks, sellest ka koondnimetus tõrksad polüsahhariidid. Optimaalsete ensüümsegude väljatöötamine eeldab üksikute ensüümide toimemehhanismide põhjalikku tundmist. Ensüümide toimemehhanismi ja kineetika detailne kirjeldamine ongi meie uurimistöö põhisuunaks.
• Tõrksate polüsahhariidide (tselluloos ja kitiin) ensümaatiline lagundamine

Tulenevalt tselluloosi ja kitiini kristallilisest ehitusest on nende ensümaatiline lagundamine tahke-vedelik piirpinnal toimuv heterogeenne katalüüs, mis hõlmab rea erinevaid vaheetappe. Oluliseks sammuks kogureaktsiooni kiiruse suurendamise suunas on kiirust piirava vaheetapi (n.ö pudelikaela) välja selgitamine. Meie uurimisrühma n.ö. tugevuseks on üksikute vaheetappide kiiruse mõõtmist võimaldavate uudsete meetodite välja töötamine ja juurutamine. Eeltoodud lähenemine on meil võimaldanud määrata glükosiid hüdrolaaside (erinevad tsellulaasid ja kitinaasid) protsessiivsust ja erinevate vaheetappide nagu, assotsiatsioon, dissotsiatsioon ja glükosiidse sideme hüdrolüüs, toimumise kiirust iseloomustavate konstantide väärtusi. Lisaks traditsioonilistele glükosiid hüdrolaasidele oleme keskendunud ka lüütilistele polüsahhariid monooksügenaasidele (LPMOd). LPMOd on hiljuti avastatud tõrksate polüsahhariidide lagundamises osalevad redoksensüümid. Nende toimimise ja kineetika mõistmine kätkeb endas suurt potentsiaali tõrksate polüsahhariidide lagundamise ja modifitseerimise efektiivsuse tõstmisel.

• Redoksreaktsioonid lignotselluloosi lagundamisel

LPMOd vajavad oma toimimiseks nii elektrone (redutseeriat), kui ka H2O2/O2 kosubstraati (oksüdeeriat). LPMOde olulisuse teadvustamine on kõrgendatud tähelepanu alla tõstnud redoksreaktsioonide osaluse lignotselluloosi (taime rakukesta põhikomponent) lagundamisel. Siin keskendume ensüümkaskaadide väljatöötamisele, mis võimaldaks optimaalseid tingimusi LPMOde aktiivsuse ja stabiilsuse tagamiseks keerulises redoksaktiivses keskkonnas. Lisaks LPMOdele oleme huvitatud ligniinil ja tema laguproduktidel aktiivsetest ensüümidest nagu erinevad lakaasid, peroksüdaasid ja oksüdaasid.

Valik publikatsioone

1.    Kont, R., Bissaro, B., Eijsink, V. G. H., and Väljamäe, P. (2020) Kinetic insights into the peroxygenase activity of cellulose-active lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs). Nat. Commun. 11:5786
2.    Vermaas, J. V., Kont, R., Beckham, G. T., Crowley, M. F., Gudmundsson, M., Sandgren, M., Ståhlberg, J., Väljamäe, P., and Knott, B. C. (2019) The dissociation mechanism of processive cellulase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 23061-23067
3.    Kont, R., Pihlajaniemi, V., Borisova, A. S., Aro, N., Marjamaa, K., Loogen, J., Büchs, J., Eijsink, V. G. H., Kruus, K., and Väljamäe, P. (2019) The liquid fraction from hydrothermal pretreatment of wheat straw provides lytic polysaccharide monooxygenases with both electrons and H2O2 co-substrate. Biotechnol. Biofuels 12:235
4.    Kuusk, S., Kont, R., Kuusk, P., Heering, A., Sørlie, M., Bissaro, B., Eijsink, V. G. H., and Väljamäe, P. (2019) Kinetic insights into the role of the reductant in H2O2-driven degradation of chitin by a bacterial lytic polysaccharide monooxygenase. J. Biol. Chem. 294, 1516-1528
5.    Kuusk, S., Bissaro, B., Kuusk, P., Forsberg, Z., Eijsink, V. G. H., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2018) Kinetics of H2O2-driven degradation of chitin by a bacterial lytic polysaccharide monooxygenase. J. Biol. Chem. 293, 523-531
6.    Kuusk, S., and Väljamäe, P. (2017) When substrate inhibits and inhibitor activates: implications of β-glucosidases. Biotechnol. Biofuels 10:7
7.    Kurašin, M., Kuusk, S., Kuusk, P., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2015) Slow off-rates and strong product binding are required for processivity and efficient degradation of recalcitrant chitin by family 18 chitinases. J. Biol. Chem. 290, 29074-29085
8.    Kuusk, S., Sørlie, M., and Väljamäe, P. (2015) The predominant molecular state of bound enzyme determines the strength and type of product inhibition in the hydrolysis of recalcitrant polysaccharides by processive enzymes. J. Biol. Chem. 290, 11678-11691
9.    Jalak, J., Kurašin, M., Teugjas, H., Väljamäe, P. (2012) Endo-exo synergism in cellulose hydrolysis revisited. J. Biol. Chem. 287, 28802-28815.
10.    Kurašin, M., Väljamäe, P. (2011) Processivity of cellobiohydrolases is limited by the substrate. J. Biol. Chem. 286, 169 – 177.

Veel publikatsioone.

Indrek Reile

Rühma juht: Dr. Indrek Reile

Keeruliste Segude Analüüsi laboratoorium on KBFI teadlaste rühm, kes keskendub mitmekompo-nentsete proovide analüüsile tuumamagnetresonantsspektroskoopia (TMR/NMR) abil. Rühm koosneb 8 inimesest, kellest 4 on doktorikraadiga. KSA tegutseb kahes teadussuunas: TMR metodoloogia arendamine suurema tundlikkuse suunas; ning keeruliste multikomponentsete proovide ja makromolekulide keemiline analüüs. Näiteid käimasolevatest projektidest:

• PSG11 „Vähimarkerite kvantitatiivne analüüs uriinis hüperpolariseeritud TMR abil“ – metodoloogia arendamine uriiniproovidest uute vähimarkerite avastamiseks. Hüper-polariseerimine aitab näha tavapärase TMR analüüsi detekteerimispiiri alla jäävaid analüüse (ETIS)
• COVSG7 „Viirusevastase toimega sahhariidid: rakendused desovahendites, kosmeetika-toodetes ja farmatseutilistes formulatsioonides“ – Koostöös Tallinna Ülikooliga rakendame kaasaegseid TMR tehnikaid, et mõista Eesti looduses leiduvate viirusevastase toimega sahhariidide struktuuri ning toetada viirust pärssivate omadustega toodete arendamist. (ETIS)

KBFI-KSA teostab igapäevaselt TMR analüüsi alaseid tellimustöid ettevõtetele ning teeb teaduskoostööd paljude teadusasutuste ja teadusrühmadega Eestis ja välismaal. Puidukeemia vallas oleme koostöös TalTech-ga välja arendanud kompetentsi ligniinipreparaatide TMR analüüsiks, toetades Eesti teadlaste ja ettevõtete tööd puidukomponentide väärindamisel.