Kultananoklustereista apua sairauksien tunnistamiseen?

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.

Kierteinen ulkopinta voi tunnistaa kierteisiä biomolekyylejä 

Kultaklustereiden ulkopinta on usein kierteinen eli kiraalinen aivan kuten kierreportaat tai DNA:n spiraalimainen rakenne. Tämän vuoksi niiden voidaan olettaa sitovan ympäristön kiraalisia biomolekyylejä (kuten aminohappoja tai DNA:ta) eri tavoin riippuen sekä molekyylien kemiallisesta rakenteesta että klusterin kierteisyyden suunnasta. 

- Halusimme testata tämän oletuksen mahdollisimman perusteellisesti, joten toteutimme laajan laskennallisen tutkimuksen, kertoo tutkimusta johtanut laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta. 

Supertietokoneella satoja simulointeja

Tutkimuksessa käytiin läpi lähes sata erilaista klusterin ja biomolekyylin yhdistelmää, joiden atomirakennetta simuloitiin molekyylidynamiikan avulla. Biomolekyylien sitoutumista klusteriin biologisessa ympäristössä ja sen vaikutusta klusterien kiraalisiin optisiin ominaisuuksiin tutkittiin elektronirakenneteoriaa hyväksikäyttäen. 

- Tulosten tilastollisen luotettavuuden varmistamiseksi tarvittiin yhteensä lähes kolmesataa yksittäistä tietokoneajoa. Tutkimus vaati huomattavaa GPU-laskentakapasiteettia, ja simuloinnit tehtiin CSC:n hallinnoimalla yhteiseurooppalaisella LUMI-supertietokoneella ”Extreme Scale” -projektina, selventää Häkkinen. 

Klusterit tunnistivat biomolekyylejä valikoivasti

Tutkimuksessa havaittiin selviä eroja eri klusteri–biomolekyyli‑yhdistelmien kierteisten pintojen välisessä vuorovaikutuksessa. Vuorovaikutus osoittautui valikoivaksi, sillä vain muutamissa yhdistelmissä biomolekyyli sitoutui klusterin pintaan niin vahvasti, että se kykeni muuttamaan klusterin kiraalista optista vastetta.

Tutkimus ennustaa, että tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää kehitettäessä biologisessa ympäristössä toimivia sensoreita kiraalisille biomolekyyleille. Tällaiset sensorit voisivat tunnistaa verestä tiettyihin sairauksiin liittyviä merkkiaineita.

- Simulointien tulokset ovat erittäin lupaavia ja perustuvat periaatteessa yksinkertaiseen, laboratorioissa helposti testattavaan ideaan. Olemme jo olleet yhteydessä kansainvälisen tutkimusverkostomme kokeellisiin ryhmiin, ja toivomme heidän innostuvan testaamaan ennusteitamme käytännön laboratoriomittauksissa, sanoo Häkkinen.

Häkkisen lisäksi julkaisun kirjoittajina olivat tutkijatohtori Zohreh Fallah, yliopistotutkija Marìa Francisca Matus ja tutkimusinsinööri Sami Malola. Tutkimus julkaistiin arvostetussa ACS Nano -lehdessä. Tutkimusta tukivat Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvoston ERC Advanced Grant –hanke DYNANOINT. 

Artikkelin tiedot: 

• Zohreh Fallah, Sami Malola and Hannu Häkkinen, Chiral Ligand-Protected Gold Nanoclusters as Biosensors for Small Chiral Biomolecules: A Computational Study, ACS Nano 2026, February 25, 2026

• Linkki artikkeliin: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c20222 

• DOI numero: 10.1021/acsnano.5c20222