Väitös 31.3.2023: Tietokonesimulaatioilla tietoa pH:n vaikutuksesta biologisiin prosesseihin

"Monet ihmiskehon prosessit, kuten solujen energiantuotanto tai ruuansulatusentsyymien toiminta, ovat riippuvaisia ympäröivän liuoksen happamuudesta eli pH:sta. Näiden prosessien tarkempaa tietokonemallintamista varten on kehitettävä uudenlaisia menetelmiä”, Aho tiivistää.

Luonnontieteilijät pyrkivät ymmärtämään luonnossa tapahtuvia prosesseja. Perinteisesti ymmärrystä on saatu tekemällä kokeellisia mittauksia, joiden pohjalta tehdään päätelmiä. Nykypäivänä kokeellisuuden rinnalle on noussut suurteholaskenta, jolloin luonnon prosesseja voidaan mallintaa supertietokoneiden avulla.

Ahon tutkimus keskittyy sekä solujen biologisten systeemien laskennalliseen mallinnukseen atomitasolla että simulaatiomenetelmien kehittämiseen.

“Kiehtovinta on, että moderneilla simulaatiomenetelmillä voidaan saada aivan uutta tietoa atomitason tapahtumista esimerkiksi proteiineissa ja solukalvoissa, ja että tietokoneiden avulla tehty tutkimus onnistuu saavuttamaan ja täydentämään kokeellista tutkimusta”, Aho selventää.

Molekyylidynamiikka mallintaa atomitason tapahtumia

Klassinen molekyylidynamiikka on käytetyin simulaatiomenetelmä biologisten kokonaisuuksien tutkimisessa. Siinä lasketaan kaikkiin systeemin atomeihin kohdistuvat voimat ja selvitetään atomien ja molekyylien liikeradat ratkaisemalla numeerisesti Newtonin liikeyhtälöt. Väitöskirjatutkimuksen ensimmäisessä osassa Aho onkin käyttänyt molekyylidynamiikkasimulaatioita täydentämään kokeellisia tuloksia protonien diffuusiosta biologisten kalvojen pinnalla

Väitöskirjan keskiössä on menetelmäkehitys, jossa Aho on jatkokehittänyt molekyylidynamiikkasimulaatioiden perusalgoritmia mahdollistaakseen biologisten kokonaisuuksien simuloinnin olosuhteissa, joissa ympäröivän liuoksen happamuus eli pH on vakio

“Simulaatioiden tavoitteena on tietenkin mallintaa kokeellisen tutkimuksen olosuhteita todenmukaisesti. Simulaatiot vakiolämpötilassa ja -paineessa ovat olleet mahdollisia jo kauan, mutta vakio-pH on ollut haastavampaa toteuttaa. Siksi simulaatio-ohjelmistojen käyttäjät ovatkin innolla odottaneet tätä ominaisuutta.”

Ahon kehittämä menetelmä mahdollistaa pH:sta riippuvaisten ilmiöiden tutkimisen tietokonemallinnuksella. Kun pH voidaan simulaatioissa asettaa vakioksi ja happo- ja emäsmolekyylien varaus voi muuttua, voidaan saada selville yksityiskohtia prosesseista, jotka riippuvat vahvasti ympäröivän liuoksen happamuudesta.

Menetelmäkehityksen rinnalla Aho on lisäksi osallistunut vakio-pH molekyylidynamiikkaan liittyvien yksityiskohtien valintojen selventämiseen, minkä tarkoituksena on parantaa menetelmän laskennallista tarkkuutta. Tutkimusjulkaisut ovat herättäneet runsasta kiinnostusta simulaatioyhteisön keskuudessa, mikä heijastaa edistyneiden laskennallisten menetelmien jatkokehityksen tärkeyttä luonnontieteiden kokeellisen tutkimisen rinnalla.

Tulevaisuudessa vakio-pH molekyylidynamiikkaa voisi soveltaa esimerkiksi lääkeaineiden kuljetuksen, solukalvojen kuljettajaproteiinien, entsyymidynamiikan ja solujen energiantuotannossa mukana olevien biomolekyylien toiminnan yksityiskohtaiseen tutkimiseen.

Noora Aho valmistui ylioppilaaksi Heinolan lukiosta vuonna 2012, ja suoritti luonnontieteiden kandidaatin tutkinnon fysiikassa Jyväskylän yliopistossa vuonna 2015. Tämän jälkeen hän valmistui filosofian maisteriksi fysiikasta Helsingin yliopistossa vuonna 2018, jolloin hän oli jo suuntautunut biologisten systeemien tutkimsukseen tietokonesimulaatioiden avulla. Siitä lähtien Aho on työskennellyt väitöskirjatutkijana Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksella professori Gerrit Groenhofin laskennallisen kemian tutkimusryhmässä. Tutkimustyön lisäksi Aho on suorittanut aineenopettajan pätevyyden fysiikassa ja matematiikassa.

• Linkki väitöskirjan verkkojulkaisuun: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9504-1

Osajulkaisut:

• Exploring fast proton transfer events associated with lateral proton diffusion on the surface of membranes
• Scalable Constant pH Molecular Dynamics in GROMACS
• Best Practices in Constant pH MD Simulations: Accuracy and Sampling

FM Noora Ahon kemian väitöskirjan “Molecular dynamics simulations of acids and bases in biomolecular environments” (Molekyylidynamiikkasimulaatioita hapoista ja emäksistä biomolekulaarisessa ympäristössä) tarkistustilaisuus järjestetään perjantaina 31.3.2023 klo 12. Vastaväittäjänä toimii professori David van der Spoel Uppsalan yliopistosta Ruotsista ja kustoksena professori Gerrit Groenhof Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.