Jyväskylän yliopisto

Väitös 31.3.2023: Tietokonesimulaatioilla tietoa pH:n vaikutuksesta biologisiin prosesseihin

Jaa
Väitöskirjassaan Noora Aho käsittelee fysiikkaan perustuvien tietokonesimulaatioiden hyödyntämistä pH:sta riippuvaisten biologisten prosessien tutkimuksessa. Väitöskirjan keskiössä on tehokkaan simulaatiomenetelmän jatkokehittäminen, mikä mahdollistaa biomolekulaarisiin ympäristöihin sijoittuvien happojen ja emästen laskennallisen tutkimisen vakio-pH olosuhteissa.
FM Noora Aho. (Kuva: Marjut Hukkanen.)
FM Noora Aho. (Kuva: Marjut Hukkanen.)

"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.

Osajulkaisut:

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

Kuvat

FM Noora Aho. (Kuva: Marjut Hukkanen.)
FM Noora Aho. (Kuva: Marjut Hukkanen.)
Lataa

Tietoja julkaisijasta

Jyväskylän yliopisto
PL 35
40014 Jyväskylä

http://www.jyu.fi

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

Vanhuuden toimintakyky on kuin ekosysteemi, joka voi häiriön sattuessa romahtaa14.3.2024 06:30:00 EET | Tiedote

Jyväskylän yliopiston liikuntatieteellisessä tiedekunnassa ja Gerontologian tutkimuskeskuksessa tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että vanhuudessa toimintakyvyn osatekijöiden tiukempi verkottuminen toisiinsa voi kertoa heikommasta toimintakyvyn resilienssistä eli kantokyvystä. Kun toimintakyvyn osa-alueet ovat tiiviisti verkottuneet, häiriö yhdellä alueella voi vaikuttaa muihin ja romahduttaa toimintakyvyn. Siksi on tärkeää tarkastella toimintakykyä kokonaisuutena ja pitää huolta eri kehon ja mielen hyvinvoinnin osa-alueista.

Jyväskylän yliopisto on selvittänyt julkisten hankintojen luontojalanjäljen yhdessä ympäristöministeriön kanssa13.3.2024 10:00:00 EET | Tiedote

Jyväskylän yliopiston resurssiviisausyhteisö JYU.Wisdomin kehittämällä laskentamenetelmällä on selvitetty ensimmäistä kertaa julkisten hankintojen luontojalanjälki yhteistyössä ympäristöministeriön, Hansel Oy:n ja Valtiokonttorin kanssa. Julkisten hankintojen luontojalanjäljen selvitys luo pohjaa luonnon monimuotoisuutta tukevien tavoitteiden asettamiselle ja toimii suunnannäyttäjänä muille julkisille toimijoille. Selvitys toteutettiin osana valtiovarainministeriön ja Suomen Kuntaliiton yhteistä Hankinta-Suomi-toimenpideohjelmaa ja kansallisen julkisten hankintojen strategian toimeenpanoa.

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
HiddenA line styled icon from Orion Icon Library.Eye