ERC Advanced Grant -miljoonarahoitus Jyväskylän yliopistoon – tutkimuskohteena nanopartikkelien ja biomolekyylien vuorovaikutukset

Jyväskylän yliopiston laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen on alallaan kansainvälisesti tunnettu tutkija, joka on mallintanut metallinanopartikkelien rakennetta ja ominaisuuksia jo yli 20 vuoden ajan. Viime vuosina hänen mielenkiintonsa on kohdistunut siihen, kuinka partikkelit vuorovaikuttavat biomolekyylien (esimerkiksi DNA ja proteiinit) kanssa ja kuinka vuorovaikutus muuttaa joko partikkelin tai biomolekyylin rakennetta ja ominaisuuksia siten, että syntyvää hybridirakennetta voitaisiin käyttää nanolääketieteen sovelluksissa. 

Tavoitteena laskentamenetelmien tehokas yhdistäminen 

Häkkisen ERC-projekti ”Dynamic Nanocluster – Biomolecule Interfaces” kohdistuu erityisesti vain muutaman nanometrin kokoluokkaa oleviin partikkeleihin, joiden atomirakenne tunnetaan kokeellisista tutkimuksista ja niille voidaan rakentaa atomitason tarkka malli. Supertietokoneita hyödyntävillä laskentamenetelmillä voidaan tutkia esimerkiksi kyseisen partikkelin elektronirakenteen ominaisuuksia. Toisaalta biomolekyylejä kuten DNA:ta ja proteiineja voidaan mallintaa esimerkiksi molekyylidynamiikka-menetelmillä. Haasteena on näiden hyvin erilaisten systeemien ja niihin liittyvien laskentamenetelmien yhdistäminen.  

- Biomolekyylien olennaiset toiminnalliset rakennemuutokset tapahtuvat yleensä nopeimmillaan mikrosekuntien aikaskaalassa. Se on noin neljä tai viisi kertaluokkaa pidempi aika kuin pisin aika, jonka aikana voisimme simuloida partikkelin elektronirakenteessa tapahtuvia muutoksia, kun se on kiinnittynyt biomolekyyliin. ERC-projektini vastaa tähän haasteeseen yhdistämällä koneoppimismenetelmiä aiemmin tunnettuihin simulointimenetelmiin, kuvailee professori Hannu Häkkinen projektin menetelmäosuutta. 

Uusia ratkaisuja syövän hoitoon 

Projektissa kehitettäviä laskentamenetelmiä tullaan käyttämään nanolääketieteeseen liittyviin sovelluksiin. Yksi sovelluksista liittyy metallinanopartikkelin käyttöön syövän fotodynaamisessa terapiassa, jossa partikkeli ”imee” energiaa siihen kohdistettavasta säteilystä ja tuhoaa syöpäsolun joko kuumentamalla sitä paikallisesti tai aikaansaamalla kemiallisia reaktioita solun pinnalla. Toinen sovellus liittyy nanopartikkelien käyttöön syöpälääkemolekyylien kantajina, sillä partikkelia suojaavaan molekyylikerrokseen voidaan lisätä sekä lääkemolekyylejä että syöpäsoluja tunnistavia molekyylejä. Näin lääkemolekyylit kulkeutuvat oikeaan kohteeseen eivätkä vahingoita terveitä soluja. 

- Tällaisista sovelluksista on jo saatu lupaavia tuloksia ”puhtaissa” laboratorio-olosuhteissa ja alustavissa mallinnuksissa, kertoo Häkkinen. Ongelmana on kuitenkin se, ettei vielä tiedetä, kuinka biologisessa ympäristössä olevat muut molekyylit kuten proteiinit tarttuvat metallipartikkelin pintaan ja kuinka ne vaikuttavat partikkelin toimintaan sellaisissa aikaskaaloissa, jotka ovat relevantteja biologisessa ympäristössä tapahtuvien muutosten kannalta. Tähän ERC-projektini pyrkii tuomaan lisää ymmärrystä, jatkaa Häkkinen.  

Globaalia yhteistyötä useassa maassa 

Häkkisen tutkimus on pääosin supertietokoneita käyttävää laskennallista mallitusta, minkä vuoksi tarvitaan yhteistyötä kokeellista tutkimusta tekevien ryhmien kanssa. ERC-projektiin liittyvät yhteistyöverkostot ovat tällä hetkellä USA:ssa, Kanadassa, Tanskassa ja Singaporessa.  

- Laskemamme ennusteet nanopartikkeli-biomolekyyli -hybridien mitattaville ominaisuuksille on testattava laboratoriokokeissa, jotta saamme tietoa menetelmiemme toimivuudesta ja ennustustemme luotettavuudesta, sanoo Häkkinen.  

Kansainvälinen yhteistyö on parhaillaan hyvin kiinteää, ja kokeellisia tuloksia saadaan vertailtavaksi nopealla tahdilla.  

- Laskennan ja kokeen antaman tiedon yhteensovittaminen ja siitä syntyvän uuden tiedon tuottaminen ongelmissa, joita kukaan ei ole vielä ratkaissut, on ollut intohimonani oikeastaan koko tutkijaurani ajan. Olenkin saanut tehdä työtä todella ison kansainvälisen kollegajoukon kanssa vuosien varrella ja niin odotan nytkin käyvän, iloitsee Häkkinen. 

Usean tieteenalan arvostettu ammattilainen 

Hannu Häkkinen on työskennellyt vuodesta 2007 lähtien laskennallisen nanotieteen professorina Jyväskylän yliopiston fysiikan ja kemian laitoksilla sekä nanotiedekeskuksessa. Häkkisen tutkimusryhmä on alallaan erittäin tunnettu ja arvostettu. Hänen yhteistyökumppaneinaan on ollut mm. kemian nobelisti Roger D Kornberg Stanfordista. Hän toimi Xiamenin yliopiston vierailevana professorina vuodet 2017–2021. 

Häkkinen toimi akatemiaprofessorina kaudella 2016–2020. Vuodesta 2022 lähtien hän on ollut Jyväskylän yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan tutkimuksesta vastaava varadekaani. Vuosien 2012–2017 aikana hän toimi Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen tieteellisenä johtajana. Suomalaisen Tiedeakatemian jäsen hän on ollut vuodesta 2015 alkaen. 

Suomen Tiedeseura myönsi Häkkiselle professori Theodor Homénin fysiikan palkinnon merkittävistä tieteellisistä ansioista vuonna 2018. Samana vuonna tiedemaailman viittauksia seuraava Clarivate Analytics listasi Häkkisen yhdeksi viitatuimmaksi oman alansa tutkijaksi maailmassa, mikä kuvaa tutkijan työn merkitystä alan tiedeyhteisössä. Jyväskylän yliopisto on palkinnut Häkkisen Jyväskylän yliopiston tiedepalkinnolla vuonna 2011.  

ERC Advanced Grants on Euroopan suurin henkilökohtainen tutkimusrahoitus. Rahoituksella tuetaan edistyneitä tutkijoita, jotka tavoittelevat uusia tieteen läpimurtoja. Rahoitusta myönnetään yhdelle hankkeelle enintään 3,5 miljoonaa euroa viiden vuoden ajaksi. 

Lisätietoja: 

• Häkkisen tutkimusryhmä: https://www.jyu.fi/fi/tutkimusryhmat/laskennallinen-nanotiede  

• ERC-tiedote: https://erc.europa.eu/news-events/news/erc-2023-advanced-grants-results