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.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Noora Aho
noora.s.aho@jyu.fi
Vesa HolmViestinnän asiantuntija
Puh:+358504733483vesa.j.holm@jyu.fiKuvat

Tietoja julkaisijasta
Jyväskylän keskustassa sijaitsevan yliopiston kauniilla puistokampuksella sykkii monitieteinen ja moderni tiedeyliopisto – ihmisläheinen ja dynaaminen yhteisö, jonka 2500 asiantuntijaa ja 15 000 opiskelijaa etsivät ja löytävät vastauksia huomisen kysymyksiin. Jyväskylän yliopisto on ollut tulevaisuuden palveluksessa jo vuodesta 1863, jolloin suomenkielinen opettajankoulutus sai alkunsa täältä. Voimanlähteenämme on moniarvoinen vuoropuhelu tutkimuksen, koulutuksen ja yhteiskunnan välillä. Vaalimme tutkimuksen ja koulutuksen tasapainoa sekä ajattelun avoimuutta – sytytämme taidon, tiedon ja intohimon elää viisaasti ihmiskunnan parhaaksi. www.jyu.fi
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Jyväskylän yliopisto
Tutkimus: Vihreä kulutus painottuu brändeihin ja muotiin – Suomi erottuu vaatimattomilla vihreillä kuluttajilla12.5.2025 07:30:00 EEST | Tiedote
Jyväskylän yliopiston ja LUT-yliopiston tutkimuksen mukaan vihreä kuluttaminen on yleisempää Suomessa kuin Ruotsissa ja Iso-Britanniassa, mutta myös ei-vihreiden kuluttajien määrä on huomattava. Vihreät kuluttajat olivat tyypillisesti paitsi ekologisuutta arvostavia, myös brändi- ja muotitietoisia. Näillä niin sanotuilla premium-vihreillä kuluttajilla oli keskivertoa paremmat tulot ja he olivat nuorempia kuin muut kuluttajat.
Liikunta ja kuidut muokkaavat suolistomikrobiston toimintaa – edistävät maksan ja koko kehon terveyttä12.5.2025 06:30:00 EEST | Tiedote
Yhteiselo ihmisen ja mikrobien välillä näkyy erityisesti suolistossa, jossa bakteerien tuottamat aineenvaihduntatuotteet vaikuttavat koko kehon terveyteen. Väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten suolistomikrobisto reagoi liikuntaan ja ravitsemukseen sekä miten nämä muutokset voivat lievittää metabolista rasvamaksatautia. Tutkimus osoitti, että sekä fyysinen aktiivisuus että prebioottikuitujen lisääminen ruokavalioon muokkaavat mikrobiston aineenvaihduntaa, mikä voi parantaa metabolista terveyttä.
Väitöstutkimuksen mukaan ryhmälauluopetus edistää nuorten hyvinvointia kehollisuuden ja hengitystietoisuuden kautta9.5.2025 09:48:03 EEST | Tiedote
Ryhmälauluopetus voi vahvistaa nuorten itsetuntoa, lievittää stressiä ja vähentää sosiaalista ahdistusta, todetaan FM, MuM Mari Koistisen musiikkikasvatuksen väitöstutkimuksessa.
Viisaus ei ole pelkkää tietämistä8.5.2025 13:00:00 EEST | Tiedote
Uusi tutkimus haastaa arkikäsitykset viisaudesta. Toisin kuin usein ajatellaan, pelkkä tieto ei tee ihmistä viisaaksi.
Pyöräillen vai vanhempien kyydillä kouluun? Vanhempien liikunnallisuus ja lyhyet matkat edistävät aktiivista kulkemista8.5.2025 06:30:00 EEST | Tiedote
Koulumatkojen kulkeminen aktiivisesti, esimerkiksi pyöräillen tai kävellen, on vähentynyt merkittävästi, osoittaa Jyväskylän yliopiston liikuntatieteellisen tiedekunnan pitkittäistutkimus. Tutkimuksessa verrattiin 1980-luvulla koulua käyneiden koulumatkaliikkumista heidän lastensa koulumatkaliikkumiseen 2010-luvun lopulla. Vanhempien rooli on tärkeä, sillä heidän liikunnallisuutensa vaikuttaa myönteisesti lasten aktiiviseen koulumatkaliikkumiseen.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme