Uurimisgrupi juht Priit Eek, kirjelda palun, milles seisneb probleem, mida lahendama asute?

Esiteks ei ole valkude hankimine looduslikest allikatest sugugi mitte alati jätkusuutlik. Näiteks eraldatakse magusaid valkusid troopilistest taimedest, mille saagikus on madal ja kultiveerimine keerukas. Teiseks on looduslikud valgud toidurakenduste jaoks tihtipeale puudulike omadustega. 

Seetõttu kasutataksegi täna traditsioonilistes toidusüsteemides laialdaselt naftakeemial ja loomsetel produktidel põhinevaid lisandeid nagu värv- ja maitseained, emulgaatorid. Need on küll heade tehno-funktsionaalsete omadustega, kuid nende kasutamisega kaasnevad keskkonnaalased, eetilised, tervislikud ja jätkusuutlikkuse probleemid. Naftakeemial põhinevate sünteetiliste ühendite tootmine ei ole kestlik ning mitmed neist on ka potentsiaalselt tervisele kahjulikud. Näiteks levinud magusainete aspartaami ja atsesulfaam K tarbimine on seotud kõrgenenud vähiriskiga ning need võivad tõsta tüüp 2 diabeeti haigestumise riski. Asovärvide puhul (nt tartrasiin, E102; päikeseloojangukollane, E11; asorubiin, E112; Allura punane AC, E129) on täheldatud võimalikku seost mitmete tervisehäiretega, näiteks laste hüperaktiivsus, seedehäired, maksakahjustused ning üldine oksüdatiivse stressi suurenemine.

Looduses leidub nii värvilisi, magusaid, kui ka emulgeerivaid erinevate füüsikalis-keemiliste ja tehno-funktsionaalsete omadustega valke. Need omadused võivad aga toidu valmistamise käigus kaduda. Termiline töötlus sh pastöriseerimine võib valke denatureerida ehk need kaotavad oma spetsiifilise struktuuri ja funktsionaalsuse. Valkude lahustuvus sõltub suuresti keskkonna pH-st. Madal pH võib põhjustada valkude agregatsiooni, mille tagajärjel nad sadenevad lahusest (nt karastusjoogist) välja või kaotavad soovitud omadused. Sellised piirangud teevad keeruliseks valkude kasutamise toidutoodetes, kus pH tase võib varieeruda. 

Kuigi valke võib saada erinevatest looduslikest allikatest, sh taimedest ja mikroorganismidest, on nende eraldamine ja puhastamine sageli keeruline ja kulukas. Looduslike valkude tootmine võib olla sõltuv hooajalisusest ja geograafilistest teguritest, mis piirab nende pidevat kättesaadavust ja stabiilset tarnet. Näiteks magusaid valke tootvate troopiliste taimede kultiveerimine on ressursimahukas ja kliima suhtes nõudlik, mistõttu ei ole see laiatarbemahus jätkusuutlik. Seetõttu keskendume projektis lisaks valkude omaduste parandamisele ka nende tootmisele täppisfermentatsiooni abil.

Kuhu tahate oma uurimistöö tulemusel jõuda ja milliseid meetodeid kasutate?

Tahame arendada välja alternatiivseid valgulisi toidulisandeid, näiteks värv- ja magusaineid, mille omadused vastaksid toidutööstuse vajadustele ja samas kaoksid eelmainitud murekohad. Valkude arendamiseks kasutame ratsionaalse disaini, struktuuribioloogia ja tehisintellekti meetodeid. Selles on mitu etappi. Arendame välja täppisfermentatsiooni protsessi, et toota valke mikroorganismides. Seejärel testime valgupreparaate mudeltoitudes. Edukate preparaatide kommertsialiseerimiseks teeme koostööd kohaliku toidutööstuse ja ettevõtluskiirenditega. Modelleerime seosed valkude struktuuri ja tehno-funktsionaalsete omaduste vahel, mis teeb tulevikus uudsete omadustega valkude disainimise hõlpsamaks. 

Tänu masinõppe tormilisele arengule viimastel aastatel on ka struktuuribioloogia ja valgudisaini bioinformaatilised tööriistad teinud kvalitatiivse hüppe. Silmapaistvaimad neist on valkude struktuuri ennustamiseks AlphaFold, uute struktuuride loomiseks ja analüüsimiseks Rosetta, RFdiffusion ja ProteinMPNN ning hiljuti avaldatud ESM3, mis on generatiivne keelemudel etteantud omaduste ja funktsiooniga valkude de novo loomiseks. 

Teema olulisust ilmestab see, et nende meetodite arenduse eest anti välja tänavune Nobeli preemia keemia alal.

Tööriistade juurutamise käigus õpime suunama valkude keemilis-füüsikalisi ja tehno-funktsionaalseid omadusi (nt lahustuvus, termostabiilsus, geelistuvus, värv). Valkude eksperimentaalse analüüsi abil saame infot disainitud omaduste ja valgu struktuuri vaheliste seoste kohta. See võimaldab edasises töös rakendada sügavõpet, et leida loodusest veelgi paremaid alternatiivseid valke ja täiustada valgudisaini algoritme. Täiustatud omadustega valkude tootmiseks kasutame täppisfermentatsiooni ehk protsess viiakse läbi mikroorganismidest rakuvabrikutes. Sel meetodil on võimalik toota ka loomsetest allikatest pärit valgulisi lisandeid, mille traditsioonilisel viisil saamine on ressursimahukas ega ole eetiliselt vastuvõetav veganitele.

Kes on teie koostööpartnerid?

Tipptasemel struktuuribioloogia ja täppisfermentatsiooni teadust arendatakse koostöös TalTechi ja TFTAKi teadlastega. Tänu TFTAKi ja Toiduliidu sidemetele oleme tihedas kontaktis ettevõtjatega, et mõista turu vajadusi. Uurimistööd rahastab Eesti Teadusagentuur temaatiliste teadus- ja arendusprogrammide raames. Kuna selle üheks eesmärgiks on tippspetsialistide järelkasvu tagamine, siis saavad projekti käigus väljaõppe kolm uut doktoranti, kes hakkavad tulevikus panustama Eesti toidutööstuse kõrgtehnoloogilisse arengusse.