Teksti Kemia-lehti, kuva Petteri Kivimäki, Jyväskylän yliopisto
Molekyylimoottorit muuttavat energiaa liikkeeksi ja mahdollistavat elämän kannalta välttämättömiä toimintoja. Tutkijatohtori Petteri Vainikka selvittää, miten niiden toimintaperiaatteita voitaisiin hyödyntää uusissa teknologioissa.
Molekyylimoottorit ovat molekyylejä tai molekyylikomplekseja, jotka muuntavat energiaa suunnatuksi liikkeeksi. Luonnossa ne osallistuvat muun muassa aineiden kuljetukseen ja solujen energiantuotantoon.
Yksi tunnetuimmista esimerkeistä on ATP-syntaasi, joka toimii bakteerien solukalvossa ja ihmisen mitokondrioissa. Se muistuttaa nanokokoista turbiinia: protonien pitoisuusero saa moottorin pyörimään, ja pyörimisliike mahdollistaa ATP:n eli solun keskeisen energiavälittäjän tuotannon.
Luonnollisten moottorien rinnalla tutkijat kehittävät synteettisiä molekyylimoottoreita, joiden liikettä voidaan ohjata esimerkiksi valolla tai sähköllä.
Luonnolta oppia simulaatioiden avulla
Jyväskylän yliopistossa tutkijatohtori Petteri Vainikka tutkii erityisesti ATP-syntaasin toimintaa tietokonemallinnuksen avulla. Simulaatioilla voidaan tarkastella molekyylitason mekanismeja, joita on vaikea havaita kokeellisesti.
”Kun ymmärrämme mekanismit riittävän tarkasti, voimme myöhemmin myös testata niitä kokeellisesti”, Vainikka kertoo.
Hän on aiemmin tutkinut Groningenin yliopistossa myös synteettisiä molekyylimoottoreita. Työssään hän hyödynsi Martini-simulaatiomenetelmää, jonka avulla suurten molekyylijärjestelmien toimintaa voidaan mallintaa tavallista pidemmillä aika- ja kokoluokilla.
Moottoreita biomateriaaleihin
Molekyylimoottorien tutkimus voi tulevaisuudessa avata mahdollisuuksia lääketieteessä, bioteknologiassa ja materiaalitekniikassa. Moottoreita on jo liitetty biomateriaaleihin, joissa niiden liike voi esimerkiksi muuttaa materiaalin muotoa tai vaikuttaa solujen toimintaan.
”Jos opimme ymmärtämään täsmällisesti, miten nämä pienet koneet toimivat, voimme mahdollistaa aivan uudenlaisia teknologioita.”
Vainikka osallistui tutkimukseen, jossa valolla aktivoitavia molekyylimoottoreita kiinnitettiin pinnalle, jolla kasvatettiin kantasoluja. Moottorien aktivointi vaikutti solujen erilaistumiseen. Simulaatioiden avulla tutkittiin, miten vaikutus saattoi välittyä soluille pinnan proteiinien kautta.
”Simulaatioiden avulla voimme eristää yksittäisiä vuorovaikutuksia ja arvioida, voiko ehdotettu molekyylitason mekanismi selittää kokeellisen havainnon”, hän sanoo.
Uteliaisuus tutkimuksen moottorina
Vainikan kiinnostus nanokoneisiin alkoi jo lapsena scifi-tarinoista. Geologian opinnoista Turun yliopistossa hän siirtyi materiaalikemiaan ja edelleen laskennalliseen kemiaan. Väitöksen jälkeen hän työskenteli Lundin yliopistossa ja teki yhteistyötä myös kemian Nobel-palkitun Ben Feringan tutkimusryhmän kanssa.
Tutkimusta motivoi edelleen halu ymmärtää, miten maailma toimii.
”Jos opimme ymmärtämään täsmällisesti, miten nämä pienet koneet toimivat, voimme mahdollistaa aivan uudenlaisia teknologioita. Mutta yhtä tärkeää on se, että saamme vastauksia peruskysymyksiin luonnosta”, Vainikka toteaa.
Molekyylimoottorit ovat yhä pääosin perustutkimuksen kohteita, mutta luonnon nanokoneiden ymmärtäminen voi tulevaisuudessa auttaa kehittämään uudenlaisia materiaaleja ja teknologisia ratkaisuja.
