Väitös: Palautuva emäksen täyttö voi mahdollistaa uusia työkaluja diagnostiikkaan ja DNA-nanotekniikkaan

Ihmisen genomi koostuu kahdesta täydellisestä sarjasta kolmen miljardin DNA-kirjaimen, tai emäksen koodia, joka sisältää ohjeet kehomme rakentamiseen ja ylläpitoon. DNA voidaan kuvitella merkkijonoksi, joka muodostaa merkityksellisiä sanoja. Jos jokin merkki puuttuu tai on väärässä paikassa, viesti muuttuu epäselväksi.

Näin monista osista koostuessaan tämä ihmiskehon geneettinen koodi on hauras ja DNA on jatkuvasti uhattuna. Arkipäiväiset tekijät kuten auringonvalo, tupakointi, huono ruokavalio ja jopa solujen sisäiset luonnolliset kemialliset reaktiot voivat vahingoittaa tai muuttaa sitä. Yleisin muutos on pistemutaatio, eli yksittäisen DNA-emäksen vaihtuminen toiseen, esimerkiksi C vaihtuu A:ksi, G:ksi tai T:ksi.

Ihmisen solut keräävät päivittäin miljardeja tällaisia muutoksia. Monet mutaatiot ovat harmittomia, mutta jotkut voivat häiritä solun toimintaa tai saada sen käyttäytymään poikkeavasti. Jos tällainen mutaatio periytyy vanhemmalta tai tapahtuu varhaisessa kehitysvaiheessa, se voi vaikuttaa moniin tai jopa kaikkiin kehon soluihin ja lisätä perinnöllisten sairauksien riskiä. Pistemutaatioilla voi olla vakavia vaikutuksia, vaikka vain yksi DNA:n kirjain muuttuu. Tällaiset mutaatiot voivat häiritä proteiinien toimintaa, aiheuttaa soluhäiriöitä tai laukaista sairauksia kuten sirppisoluanemia, progeria, Huntingtonin tauti tai erilaiset syövät.

MSc Mark Afari kehitti väitöstutkimuksessaan uudenlaista menetelmää, jossa sopivasti muokatussa DNA:ssa tai RNA:ssa oleva reaktiivinen aukkopaikka voidaan täyttää ja taas vapauttaa pH:ta säätämällä. 

– Kehittämämme menetelmä, jota kutsutaan palautuvaksi emäksen täytöksi, mahdollistaa erilaisten muokattujen rakenteiden testaamisen ilman, että koko DNA- tai RNA-juostetta tarvitsee valmistaa alusta asti. Toisaalta täyttämällä kaksoiskierteisen DNA:n tai RNA:n aukko siihen sopivalla luonnollisen emäksen johdoksella voidaan saada tietoa siitä, mikä emäs on aukon kohdalla vastinnauhassa, Afari kertoo.

DNA:ssa emäsparien muodostumista ohjaavat pääasiassa vetysidokset sekä emästen pinoutuminen. Emäkset (A, T, C ja G) ovat litteitä ja ne pinoutuvat siististi päällekkäin DNA:n kiertyneessä tikapuurakenteessa. Vetysidokset puolestaan mahdollistavat sen, että yhden DNA-juosteen emäkset kiinnittyvät sopiviin emäksiin juosteen vastapuolella. Vetysidokset toimivat kuin tarranauha, eli sidokset ovat tarpeeksi vahvoja pitämään DNA-juosteet yhdessä, mutta sallivat myös niiden avautumisen, kun DNA:ta tarvitsee kopioida tai lukea.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös, kuinka nopeasti aukot täyttyvät emäksillä, tunnistettiin keskeiset tekijät, jotka säätelevät aukkoon sitoutuvan emäksen valintaa, sekä arvioitiin lopputuotteen pysyvyyttä emäksen lisäämisen jälkeen.

Tutkimuksessa hyödynnettiin dynaamista yhdistelmällistä kemiaa, joka perustuu palautuviin kemiallisiin reaktioihin yhteensopivien molekyylien välillä termodynaamisessa tasapainossa. Tässä järjestelmässä vakaimmat ja edullisimmat tuotteet syntyvät luonnollisesti ja rikastuvat tuoteseoksessa. Tutkimuksessa syntetisoitiin sarja muokattuja oligonukleotideja, joiden aukkopaikka täyttyi reaktiossa aldehydien kanssa muodostaen joko N-metoksi-1,3-oksatsinaani- tai N-metoksi-1,3-oksatsolidiinirenkaan.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että nämä reaktiot olivat nopeita ja palautuvia lievästi happamissa olosuhteissa (pH 5,5), mutta paljon hitaampia fysiologisessa pH-arvossa (noin 7,4), joka vastaa ihmiskehon olosuhteita. Tämä molekyylien dynaaminen palautuvuus toimii kuin avain, joka mahdollistaa tiettyjen muokatun DNA-juosteen kohtien "avaamisen" tai "sulkemisen" tarpeen mukaan.

Kehitetty menetelmä voi mahdollistaa entistä älykkäämpien ja joustavampien työkalujen suunnittelun esimerkiksi edistynyttä diagnostiikkaa tai DNA-nanoteknologiaa varten.

Väitös perjantaina 15.8.2025

MSc Mark Nana Kwame Afari esittää väitöskirjansa ”Reversible base filling of oligonucleotide through formation of N-methoxy-1,3-Oxazinane and N-methoxy-1,3-oxazolidine nucleosides” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 15.8.2025 klo 12.00 (Tauno Nurmela -sali, päärakennus, Yliopistonmäki, 20500, Turku)

Vastaväittäjänä toimii professori Juan José Díaz Mochón (University of Granada) ja kustoksena professori Tuomas Lönnberg (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on kemia.