Jyväskylän yliopisto

Euroopan tehokkain tietokone auttaa tutkijoita kehittämään kultananoklustereista biosensoreita

Jaa

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat aloittavat kaksi suurta laskentaprojektia, joissa käytetään Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) ylläpitämää Euroopan tehokkainta LUMI – supertietokonetta. Projektien yhteenlaskettu laskentaresurssi on lähes miljoona GPU-tuntia ja niissä tutkitaan mm. kultananoklusterien ja proteiinien vuorovaikutuksia. Tuloksia käytetään uudenlaisten biosensoreitten suunnitteluun yhteistyössä kokeellista tutkimusta tekevien ryhmien kanssa Singaporessa, Sveitsissä ja Itävallassa.

BIOINT- ja CHIRAL-SENSE-projektien tutkijatiimi. Vasemmalta Sami Malola, María Francisca Matus, Hannu Häkkinen ja Antti Pihlajamäki
BIOINT- ja CHIRAL-SENSE-projektien tutkijatiimi. Vasemmalta Sami Malola, María Francisca Matus, Hannu Häkkinen ja Antti Pihlajamäki Kevin Stamplecoskie

Kultananoklusterit ovat muutaman nanometrin kokoisia atomintarkkoja nanorakenteita. Niiden sisällä on metallinen kultaydin, joka on suojattu orgaanisten ligandimolekyylien kerroksella. Ligandimolekyylien kemiallinen luonne määrittää klustereiden liukoisuuden eri ympäristöissä ja mahdollistaa klusterin orgaanisen ulkopinnan toiminnallisuuden ja vuorovaikutukset ympäristön kanssa.

- Esimerkkinä voidaan mainita sovellukset, joissa ulkopintaan kiinnitetään vaikkapa syöpäsolujen solureseptoreita tunnistavia peptidimolekyylejä ja syöpälääkemolekyylejä (1). Näin saadaan aikaan syöpälääkkeiden täsmäkuljettimia. Klustereita voidaan käyttää myös biologisten molekyylien kemiallisina tunnistimina tai leimapartikkeleina, kun vaikkapa suuria proteiineja tai proteiineista koostuvia viruspartikkeleita kuvataan elektronimikroskoopin avulla, kertoo tutkimusryhmän johtaja, laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen

Biosensorit kertovat mahdollisista sairauksista

Klustereiden toiminnallisuuteen vaikuttaa ratkaisevasti se, kuinka niiden ulkopinta vuorovaikuttaa biologisessa ympäristössä esiintyvien molekyylien kanssa. Tällaisia ovat esimerkiksi veren seerumissa esiintyvät proteiinit ja rasvamolekyylit. Kultaklustereiden ulkopinta on usein myös kiraalinen (”kierteinen”, kuten kerrostalon portaat tai DNA-molekyyli), jolloin sen voidaan olettaa reagoivan eri tavalla ympäristössä esiintyvien kiraalisten biomolekyylien (kuten aminohappomolekyylit tai DNA) kanssa riippuen niiden kierteisyyden suunnasta.

- Nämä pienet muutokset kierteisten pintojen välisessä vuorovaikutuksessa voidaan havaita ns. kiraalisen optisen spektroskopian avulla. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää hyväksi, kun suunnitellaan biologisessa ympäristössä toimivia kiraalisten biomolekyylien sensoreita, joita voidaan tulevaisuudessa käyttää havaitsemaan tiettyjä sairauksia, täsmentää projektien päätutkija María Francisca Matus.

Supertietokoneella satoja simulointeja

Nyt alkavissa BIOINT- ja CHIRAL-SENSE-laskentaprojekteissa tutkitaan kultananoklusterien toiminnallisuutta biologisia molekyylejä (kuten proteiinit ja yksittäiset aminohapot) sisältävässä nesteympäristössä. Tutkimuksen aikana käydään läpi suuri määrä erilaisia klusteri – biomolekyyli -rajapintoja, joiden atomista rakennetta simuloidaan molekyylidynamiikka-menetelmän avulla ja rajapinnan vaikutusta klusterien kiraalisiin optisiin ominaisuuksiin tutkitaan elektronirakenneteoriaa hyväksikäyttäen. Tutkimuksessa testataan myös koneoppimismenetelmien tehokkuutta klusteri – biomolekyyli – vuorovaikutusten ennustamisessa.  

-Jotta saisimme luotettavia ennusteita kokeellisten ryhmien testattaviksi, meidän täytyy tehdä satoja simulointeja eri rajapinnoista atomien tarkkuudella, ja ilman LUMI – superkonetta emme voisi toteuttaa tätä tutkimusta, kertoo Matus.

Kilpailukyky uudelle tasolle

Tutkimuksen tuloksena saatuja ennusteita testataan yhteistyössä Singaporessa, Itävallassa ja Sveitsissä toimivien kokeellisten tutkimusryhmien kanssa.

- Lähdemme innostuneena näihin projekteihin, jotka vievät ryhmämme tutkimusta uuteen suuntaan ja ovat samalla merkittävä päänavaus CSC:n LUMI-superkoneen tutkimuskäytölle Jyväskylän yliopistossa, iloitsee Häkkinen.

Professori Häkkisen ryhmästä tutkimukseen on osallistuvat myös tutkimusinsinööri Sami Malola ja tutkijatohtori Antti Pihlajamäki.

(1) M.F. Matus and H. Häkkinen, Understanding ligand-protected noble metal nanoclusters at work, Nature Reviews Materials 2023, https://doi.org/10.1038/s41578-023-00537-1

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Tutkijatohtori María Francisca Matus, Jyväskylän yliopisto, maria.f.matus-cortes@jyu.fi
Professori Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto, hannu.j.hakkinen@jyu.fi

Kuvat

BIOINT- ja CHIRAL-SENSE-projektien tutkijatiimi. Vasemmalta Sami Malola, María Francisca Matus, Hannu Häkkinen ja Antti Pihlajamäki
BIOINT- ja CHIRAL-SENSE-projektien tutkijatiimi. Vasemmalta Sami Malola, María Francisca Matus, Hannu Häkkinen ja Antti Pihlajamäki
Lataa

Jyväskylän keskustassa sijaitsevan yliopiston kauniilla puistokampuksella sykkii monitieteinen ja moderni tiedeyliopisto – ihmisläheinen ja dynaaminen yhteisö, jonka 2500 asiantuntijaa ja 15 000 opiskelijaa etsivät ja löytävät vastauksia huomisen kysymyksiin. Jyväskylän yliopisto on ollut tulevaisuuden palveluksessa jo vuodesta 1863, jolloin suomenkielinen opettajankoulutus sai alkunsa täältä. Voimanlähteenämme on moniarvoinen vuoropuhelu tutkimuksen, koulutuksen ja yhteiskunnan välillä. Vaalimme tutkimuksen ja koulutuksen tasapainoa sekä ajattelun avoimuutta – sytytämme taidon, tiedon ja intohimon elää viisaasti ihmiskunnan parhaaksi. www.jyu.fi

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Jyväskylän yliopisto

Väitös: Musiikkiterapia voi vahvistaa varhaisnuorten tunnetaitojen kehittymistä (Salokivi)20.9.2023 06:00:00 EEST | Tiedote

FM Maija Salokiven väitöstutkimus antaa kattavan kuvan varhaisnuorten tunnetaitojen tukemisesta musiikkiterapian avulla. Tutkimuksessa määritellään, mitä tunnetaidot käytännössä tarkoittavat ja miten musiikkiterapeutit työskentelevät tunnetaitojen edistämiseksi mielenterveysongelmista kärsivien varhaisnuorten kanssa. Tämän lisäksi kuvataan tunnetaitojen arviointivälineen kehittämistä.

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme