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}