Haastateltavana professori Kari Rissanen Jyväskylän yliopistosta
Heikkojen sidosten avittamana molekyyleistä syntyy isohkoja, jopa nanometrien mittaisia pikkukoneita. Niissä voi olla koneiden tapaan liikkuvia osia, ja muotoon ja toimintaan on saatettu etsiä piirteitä arkipäivän tutuista laitteista kuten autoista. Nanokemian kehitystä ovat kiihdyttäneet Nobelillakin palkitut oivallukset ja tutkimuslöydöt.
Professori Kari Rissasen tutkimusryhmässä toteutettu nanokapseli.
Kemistit pystyvät nykyisin kokoamaan molekyyleistä mitä ihmeellisimpiä nanokoneita, jotka saattavat muistuttaa muodoltaan tai toiminnaltaan jopa autoa, hissiä tai asemien välillä seilaavaa sukkulaa. Nanokoneita tutkiva kemian haara on supramolekyylikemia.
”Supramolekyylikemia on avartanut perinteistä orgaanisen kemian tutkimusta. Käyttämällä hyväksi erilaisia heikkoja vuorovaikutuksia molekyylien välillä saamme ne tekemään monenlaisia toimintoja”, professori Kari Rissanen Jyväskylän yliopistosta kertoo.
Supramolekyylikemia on melko uudehko ala, jonka pioneerit Jean-Marie Lehn, Donald Cram ja Charles Pedersen palkittiin kemian Nobelilla vuonna 1987. Heistä ranskalainen Lehn otti käyttöön supramolekyylikemia-termin.
Alalle myönnettiin jo toinenkin kemian Nobel vuonna 2016, kun Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart ja Bernard Feringa palkittiin molekyylikoneiden kehittämisestä.
Perinteisesti kemistit ovat hyödyntäneet orgaanisessa kemiassa vahvoja eli kovalenttisia sidoksia, mutta supramolekyylikemisti käyttää hyväkseen myös vetysidoksia ja muita molekyylien välisiä heikkoja vuorovaikutuksia. Näiden heikkojen sidosten avulla molekyylejä voidaan koota suuremmiksi rakenteiksi, joissa molekyylit toimivat kollektiivina yhdessä.
”Voimme tehdä nanokokoisia molekyylirakenteita, joissa on satoja tai jopa tuhansia atomeja”, Rissanen kertoo.
”Rakenne voi olla kooltaan vaikkapa 5 x 5 x 5 nanometriä. Vertailun vuoksi aspiriinimolekyyli on huikeasti pienempi, kooltaan vain 0,15 x 0,5 x 0,6 nanometriä eli vain noin 1/25000 nanomolekyylistä”.
Kari Rissanen on käynnistänyt supramolekyylikemian tutkimuksen Suomessa, Jyväskylän yliopistossa.
Supramolekyylikemiassa on tietotaitoa karttunut jo niin paljon, että kemistit pystyvät hyvin toteuttamaan haluamiaan rakenteita.
”Kun käytämme hyväksi molekyylien itsejärjestäytymistä, voimme valmistaa suuria ja monimutkaisia rakenteita todella helposti vain sekoittamalla sopivia yhdisteitä keskenään ja luonto hoitaa loput”.
Joskus pelkkä sekoittaminen ei riitä, vaan kemisti joutuu puurtamaan pidempään ja tekemään jopa kymmenen reaktiovaihetta saadakseen aikaan monimutkaisen rakenteen. Hyvästä suunnittelusta huolimatta tulos saattaa kuitenkin yllättää kokeneenkin kemistin.
”Tämä johtuu siitä, että heikkoja vuorovaikutuksia on lähes mahdotonta hallita täydellisesti. Ne tekevät vain sen, mikä niille on luontaista ja helpointa, ja yleensä tuloksena syntyy termodynaamisesti pysyvin rakenne”.
Haastavinta kemistille on suunnitella ja tehdä rakenne, joka suorittaa haluttua tehtävää. Molekyylit voivat toimia vaikkapa on-off -kytkiminä tai avautua ja sulkeutua ulkoisen käskyn kuten valosäteilyn ohjaamana.
Kiinnostava tutkimuskohde Kari Rissasen mielestä ovat molekyylimuistit, joissa molekyyliin tai hyvin pieneen molekyylijoukkoon voidaan säilöä tietoa siten, että molekyylissä on arvoja 0 ja 1 vastaavat tilat. Sopivia rakenteita osataan jo valmistaa mutta niiden toiminnassa on yhä puutteita.
”Muistimolekyylien pysyvyys ja lukeminen ovat ongelmallisia. Vaikka käytettävä energiamäärä on hyvin pieni, yhden molekyylin lukeminen vaatii niin paljon energiaa että muistimolekyyli tuhoutuu luettaessa, eli käy kuten Mission Impossible –elokuvassa”.
Yksittäisen elävän syöpäsolun eli niin sanotun HeLa-solun sisältämä pyrofosfaatti on värjäytynyt oranssiksi pyrofosfaattisensorin vaikutuksesta. (Kuva Varpu Marjomäki ja Kari Rissanen)
Vuonna 2014 professori Kari Rissasen tutkimusryhmässä Jyväskylän yliopistossa kehitettiin maailman herkin pyrofosfaattianionin tunnistusreseptori.
Reseptori on molekyyli, joka kykenee tarkasti tunnistamaan tietyn ionin tai molekyylin. Tunnistamiseen se käyttää tarkkaa kolmiulotteista rakennettaan ja heikkoja vuorovaikutuksia. Jos kohde on ioni, reseptori kiinnittyy vain siihen mutta ei muihin läsnäoleviin ioneihin. Reseptorin toivotaan myös raportoivan tunnistuksesta eli ilmaisevan että tunnistus on tapahtunut.
”Pyrofosfaattianionin tunnistusreseptori tunnistaa syöpäsoluissa pyrofosfaatin, jonka pitoisuus on koholla. Reseptori pystyy toimimaan niin pieninä pitoisuuksina, että sitä voidaan käyttää elävissä soluissa pyrofosfaatin kuvantamiseen”, Rissanen selventää.
Professori Rissasen ryhmässä tutkitaan reseptoreja sekä kationeille, anioneille että ionipareille. Ryhmässä kehitetään myös ligandeja itsejärjestyviin molekyylirakenteisiin.
”Tavoitteemme on ligandimolekyyli, joka vuorovaikuttaa toisen molekyylin, atomin tai metallikationin kanssa niin, että niistä kollektiivina muodostuu haluttu rakenne”.
Vuonna 2017 ryhmä onnistui valmistamaan suuren nanokapselin, jonka halkaisija on 4,5 nanometriä.
”Se koostuu kuudesta samanlaisesta ligandista, jotka liittyvät toisiinsa kahdentoista metalli-ionin välityksellä. Tuloksena on heksameerinen eli kuusikomponenttinen kapseli”.
Ligandi, jota käytettiin nanokapselin valmistamiseen.
Rissasen ryhmässä tutkitaan myös kultananohiukkasten rakennetta yhteistyöprojektissa italialaisen Padovan yliopiston kanssa.
”Kultananohiukkasetkin saattaisivat kelvata lääkeaineen kuljettimeksi tai solun sisäisiksi kuvantamisaineiksi pyrofosfaatin tavoin”.
Nanomolekyylien rakenteita tutkitaan röntgensäteiden avulla, röntgensädediffraktiomenetelmällä.
”Se on edelleen tehokkain ja paras menetelmä, kun tutkitaan supra- ja nanomolekyylien rakenteita atomien tarkkuudella. Menetelmä on pysynyt samana jo 25 vuotta, mutta tänä aikana tietokoneet ja mittalaitteet ovat kehittyneet valtavasti. Kun kaksikymmentä vuotta sitten pienehkön supramolekyylin tutkiminen vei viikon tai jopa kuukausia, niin nykylaitteilla saamme tuloksen alle kahdessa päivässä”.
”Röntgensädetutkimus on kuin salapoliisityötä. Alussa emme ole varmoja, saammeko rakenteen selville, mutta nykyisin useimmiten onnistumme ja voimme lopputuloksena piirtää siitä näyttäviä kuvia”
Alla on esimerkkejä näistä näyttävistä kuvista.
Yksinkertaisen molekyylikoneen, katenaanin kiderakenne, joka kehitettiin Kari Rissasen ja edesmenneen saksalaisen professorin Fritz Vögtlen tutkimusyhteistyön tuloksena vuonna 1993.
Nanokokoinen molekyylihäkki syntyi molekyylien itsejärjestymistä käyttäen Kari Rissasen tutkimusryhmässä vuonna 2015.
Aiheesta muualla: Nobelisti Jean-Marie Lehnin haastattelu https://yle.fi/aihe/artikkeli/2016/01/20/nobel-tarinoita-5-jean-marie-lehn-biologia-molekyylimaailman-kehittynein-ilmaus
Jutun toimitus Sisko Loikkanen, kuvat ja video Kari Rissanen