Kemiallinen vakoilija, ksenon, paljastaa esimerkiksi syöpäsolujen jälkiä – Oulussa kehitettiin uusia työkaluja NMR-signaalin tulkintaan

Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia eli NMR tutkii atomiytimien magneettisia ominaisuuksia. NMR-signaali paljastaa näytteen atomien ja molekyylien rakenteen sekä liikkeen – kuin sormenjäljen aineen mikroskooppisesta maailmasta. Uudessa tutkimuksessa tarkasteltiin laskennallisin ja teoreettisin menetelmin ksenoniin perustuvia NMR-biosensoreita. Yksi niiden lupaavista sovelluskohteista on havaita syöpäsolujen tuottamia proteiineja, joita terveet solut eivät tuota.

Ksenoniin perustuvissa NMR-biosensoreissa ksenonatomi kahlitaan sitä suurempaan häkkimolekyyliin, joka kemiallisen anturinsa avulla löytää ympäristöstään, esimerkiksi verestä, halutun kohdemolekyylin. ”Kun anturi tarrautuu kohdemolekyyliin, sensorin rakenne muuttuu hieman. Tämä voidaan havaita ympäristön muutoksille äärimmäisen herkän ksenonin NMR-signaalissa, mikä viittaa kohdemolekyylin, kuten syöpäsolun tuottaman proteiinin, läsnäoloon aineessa”, selittää Oulun yliopiston väitöskirjatutkija Perttu Hilla. ”Ksenon siis toimii biosensorissa kuin kemiallinen vakoilija, joka raportoi ympäristöstään NMR-signaalinsa kautta.”

Houkutteleviksi ksenonbiosensoreista tekee niiden monikäyttöisyys – ainoastaan anturia vaihtamalla voidaan samaa menetelmää käyttää useiden eri ympäristöä kuvaavien suureiden ja kohdemolekyylien havaitsemiseen.

Käänteentekevä menetelmä parantaa mallinnuksen tarkkuutta ja laskennallista tehokkuutta

Laskennallisteoreettisessa tutkimuksessa tarkastellaan aineen rakenneosia mikroskooppisessa mittakaavassa. Teorioiden ja simulaatioiden avulla pyritään ennustamaan kokeellisesti mitattavia, suuremman mittakaavan ominaisuuksia. Kun teoreettiset ennusteet täsmäävät mittaustulosten kanssa, voidaan vetää yhteys rakenneosasten mikroskooppisten ja materiaalin havaittavien ominaisuuksien välille. Tämänkaltainen teorian ja kokeiden vertailu on teknologian ja esimerkiksi lääketieteen kehityksen kivijalka.

Ksenonin NMR-signaalin informaatio sisältyy kahteen tekijään: signaalin värähtelytaajuuteen ja vaimenemiseen. Perinteisesti ainoastaan värähtelytaajuutta on käytetty ksenonbiosensoreiden yhteydessä, sillä vaimenemisen ymmärtäminen on ollut soveltuvien laskennallisteoreettisten työkalujen puutteen takia lapsenkengissään. ”Olemme kehittäneet uutta teoriaa ja laskennallisia työkaluja nyt myös signaalin vaimenemisen mallinnukseen ja vieläpä suurissa molekyylisysteemeissä”, painottaa professori Juha Vaara. ”Suurten biosensorirakenteiden mallintaminen vaati aiemmin käytössä olleiden teoreettisten oletusten hylkäämistä, ja uuden, aiempia menetelmiä yleistävän teorian kehittämistä.”

Uusi mahdollisuus vertailla mittaustuloksia ja teoreettisia ennusteita NMR-signaalin vaimenemisen osalta kaksinkertaistaa vertailupisteiden määrän, mikä lisää tutkimustulosten luotettavuutta. Tämä käänteentekevä menetelmä avaa mahdollisuuksia myös atomien välisten etäisyyksien tarkempaan tutkimiseen.

Laskennallisteoreettisten työkalujen jatkuva päivittäminen on erityisen tärkeää; kehittyneemmät mallit mahdollistavat suoraviivaisemman vertailun teorian ja kokeiden välillä, mikä taas parantaa tutkitun aineen ominaisuuksista tehtyjen tulkintojen laatua. Laadukkaampi mallinnus ei ainoastaan nopeuta ja tarkenna tieteellistä työtä, vaan myös vähentää laskennan ympäristökuormaa.

Perttu Hillan ja Juha Vaaran uusi tutkimus Multiscale modelling of nuclear magnetisation dynamics: spin relaxation, polarisation transfer and chemical exchange in 129Xe@cryptophane(aq) structures  julkaistiin toukokuussa 2025

Lue myös: Euroopan suurin magneettisen resonanssin konferenssi kokoaa lähes 700 tutkijaa Ouluun 6.–10.7.2025