Solmuun menevät molekyylit, mutaatiot lajien synnyssä, matematiikan murtuvat muurit – mittava EU-rahoitus kolmelle JYU:n tutkijalle

Solmittavilla molekyyleillä tehokkaampia katalyytteja

Taskussa sotkuun mennyt nappikuulokkeiden johto on monelle tuttu harmituksen aihe. Synteettisen nanokemian apulaisprofessori Fabien Cougnonin projektissa tutkitaan samaa ilmiötä – mutta huomattavasti pienemmässä mittakaavassa. ”Tavoitteenamme on kehittää menetelmä, jolla voidaan hallita takertumien muodostumista molekyylimittakaavassa”, Cougnon kertoo.

Pitkät molekyylit, kuten synteettiset polymeerit tai DNA, sotkeutuvat usein, mikä muuttaa niiden muotoa sekä mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia. Takertumien muodostumista on kuitenkin erittäin vaikeaa hallita. ”Ajatuksenamme on valjastaa takertumat hyötykäyttöön manipuloidaksemme synteettisten molekyylien ominaisuuksia. Tällä idealla voi olla valtava vaikutus muilla tutkimusaloilla, erityisesti yhä tehokkaampien katalyyttien kehittämisessä”, Coungon sanoo. ”On toki myös hauskaa yrittää solmia niinkin pienellä asialla kuin molekyyli!”

Katalyytit ovat pieniä molekyylejä, jotka auttavat kemiallisia muutoksia. Ne ovat välttämättömiä sekä perustutkimukselle että synteettisten yhdisteiden teolliselle tuotannolle. Useimmat katalyytit voivat tehdä vain tietyn tyyppisen kemiallisen muunnoksen. Jokaiseen muutokseen tarvitaan siis erilainen katalyytti, ja jokaisessa vaiheessa on puhdistettava välituotteet.

”Olisi hienoa rakentaa yksi pitkä katalyyttimolekyyli, joka voisi hoitaa koko reaktiosarjan, samaan aikaan yhdessä astiassa. Pitkillä molekyyleillä on kuitenkin taipumus laskostua hallitsemattomasti, mikä häiritsee niiden suorituskykyä. Tekemällä niihin solmuja voimme hallita tarkasti katalyyttikohtien suhteellista sijaintia ja näin optimoida niiden suorituskykyä, mitä ei ole koskaan ennen saavutettu”, Cougnon kertoo.

Projektin saaman 2 miljoonan euron rahoituksen avulla Cougnon ryhmineen pyrkii laajentamaan tietämystä aiheesta ja tulevaisuudessa valmistamaan suuria, solmuisia molekyylejä, joita voidaan käyttää käytännön sovelluksiin katalyysissä.

Miten mutaatiot vaikuttavat uusien lajien syntyyn?

Bio- ja ympäristötieteiden laitoksen akatemiatutkija Ilkka Kronholmin projekti käsittelee perinnöllistä muuntelua. Evoluutiobiologiassa luonnonvalinnan toiminta tunnetaan melko hyvin, mutta perinnöllisen muuntelun synty ymmärretään heikommin. Muuntelu syntyy mutaatioiden seurauksena, mutta niiden ominaisuuksista ei tiedetä kovinkaan paljoa.

”Tässä projektissa olemme kiinnostuneita siitä, kuinka usein uudet mutaatiot ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja millainen on vuorovaikutusten tilastollinen jakauma”, Kronholm kertoo. “Mutaatioiden vuorovaikutusten ymmärtäminen täydentää tietoamme evoluutiosta ja auttaa ymmärtämään, miten populaatiot sopeutuvat muuttuviin olosuhteisiin.” Tiedossa on, että mutaatioiden vuorovaikutuksilla on tärkeä merkitys esimerkiksi uusien lajien synnyssä, mutta näiden vuorovaikutusten todennäköisyyttä ei tunneta.

”Tulosten perusteella voimme siis ymmärtää paremmin, miten uusia lajeja syntyy evoluutiossa”, Kronholm summaa. Mutaatioiden vuorovaikutusten estimointi kokeellisesti vaatii isoja aineistoja. Projektissa tehdään pitkäkestoisia evoluutiokokeita mikrobeilla, ja projektille myönnetty lähes 2 miljoonan euron rahoitus mahdollistaa tarvittavien aineistojen keräämisen.

Matemaatikot ratkovat fraktaaligeometrian vanhoja ongelmia

Matematiikan apulaisprofessori Tuomas Orposen projektin tavoitteena on edistyä useissa tunnetuissa fraktaaligeometrian ongelmissa. Niitä ovat muun muassa Vitushkinin konjektuuri 60-luvulta ja Tom Wolffin 90-luvulla esittämä Furstenberg-joukkokonjektuuri.

“Alallani on pieni joukko tiiviisti yhteen liittyneitä ongelmia, joista jotkut ovat olleet avoinna 80-luvulta lähtien. Ne ovat yhteydessä paitsi toisiinsa, myös moniin muihin matematiikan aloihin, esimerkiksi harmoniseen analyysiin. Ratkaisemattomina ne muodostavat tiiviin muurin, joka estää alan edistymistä”, Orponen taustoittaa.

”Viime vuosina muuriin on alkanut syntyä murtumia, ja samalla ongelmien kytkeytyneisyys on muuttunut vihollisesta ystäväksi: edistyminen yhdessä kysymyksessä johtaa usein edistykseen myös muissa. Vallalla on tunne siitä, että muuri saadaan ehkä viimein kaadettua ja ala voi kehittyä eteenpäin.”

Projektin kysymykset ovat matematiikan perustutkimusta ja käsittelevät fraktaalijoukkojen geometriaa. "Termi ’fraktaali’ on epämääräinen, mutta se herättää ajatuksen ’murtuneesta’ joukosta, jolla ei ole sileyttä”, Orponen kuvaa.

Fraktaalien kokoa mitataan yleensä niiden ”dimensiolla”. Viivan dimensio on yksi ja neliön kaksi, mutta monien mielenkiintoisten fraktaalien dimensio ei ole kokonaisluku. Projektin keskiössä on klassinen geometrisen mittateorian tutkimusaihe: miten fraktaalien dimensio säilyy, tai ehkä vääristyy, erilaisissa kuvauksissa, kuten projektioissa.

”Liki 1,4 miljoonan euron ERC-rahoitus houkuttelee projektiin hyviä jatko-opiskelijoita ja tutkijatohtoreita. Se mahdollistaa myös kansainvälisen konferenssin järjestämisen. Tämä edistää Jyväskylän yliopiston matematiikan ja tilastotieteen laitoksen tunnettuutta geometrisen mittateorian keskuksena”, Orponen iloitsee.

Rahoitetut projektit:

Fabien Cougnon, kemia: Entangled tertiary folds, 1 999 454 €

Ilkka Kronholm, bio- ja ympäristötieteet: Role of epistatic interactions in evolution, 1 970 533 €

Tuomas Orponen, matematiikka: Multi-scale incidence geometry, 1 362 843 €