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
Uusi professori Lotta-Riina Sundberg kehittää viruksista lääkkeitä bakteeri-infektioihin29.5.2023 08:00:00 EEST | Tiedote
Jyväskylän yliopistossa on aloittanut toukokuun alusta lähtien uusi solu- ja molekyylibiologian professori. Kansainvälisestikin arvostettu filosofian tohtori Lotta-Riina Sundberg on kiinnostunut bakteereiden aiheuttamista infektiotaudeista ja kuinka tauteja voitaisiin parantaa lääkkeettömästi virusten avulla.
Opinnäytetyö: Uhkanarratiivit ovat toimineet keskeisinä perusteluina Venäjän ulko- ja sotilaspoliittiselle toiminnalle29.5.2023 08:00:00 EEST | Tiedote
Marko Ruokolainen kartoitti Jyväskylän yliopistossa ja Maanpuolustuskorkeakoulussa tekemässään kaksoisgradussa Venäjän uhkanarratiiveja ja niiden käyttämistä perusteluina Venäjän ulko- ja sotilaspoliittiselle toiminnalle. Gradun mukaan tutkimuskirjallisuudessa oli jo vuosituhannen vaihteessa nähtävissä suurvaltakilpailua korostavaa ajattelua ja vastakkainasettelua Venäjän ja lännen välillä. Vaikka pelkät narratiivit eivät riitä Venäjän toimien ennakoimiseen, niiden tulkitseminen on kuitenkin keskeisessä asemassa lännen Venäjän vastaisen strategien rakentamisessa Ukrainan sodassa.
Väitös: 02.06.2023 Kvanttiväridynamiikkaa ultraperifeerisissä ydintörmäyksissä (Löytäinen)29.5.2023 08:00:00 EEST | Tiedote
Väitöskirjassaan FM Topi Löytäinen tarkastelee raskaiden vektorimesonien eksklusiivista fototuottoa ultraperifeerisissä ydintörmäyksissä. Tutkimuksessa kehitetään viitekehystä uudenlaisen sirontaprosessiluokan lisäämiselle globaaliin statistiseen analyysiin, jonka tavoitteena on ymmärtää ydinaineen rakennetta.
Elämä ruusunpunaisten lasien läpi26.5.2023 11:40:04 EEST | Tiedote
Kasvatusolosuhteiden näkyvyys vaikuttaa eläinten riskeihin reagointiin: miten ympäristöhäiriöt voivat vaikuttaa saalistajan ja saaliin vuorovaikutukseen luonnossa. Tutkimus julkaistiin Journal of Experimental Biology -aikakausjulkaisussa toukokuussa 2023.
Kaksivuotisen esiopetuksen kokeilu – mikä muuttui?26.5.2023 09:06:48 EEST | Tiedote
Elokuussa 2021 alkoi Opetus- ja kulttuuriministeriön toteuttama valtakunnallinen kaksivuotisen esiopetuksen kokeilu, johon osallistuvat vuosina 2016 ja 2017 syntyneet lapset aloittavat esiopetuksen jo viisivuotiaina. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun koulutuspoliittisia päätöksiä tullaan tekemään tutkimusperustaisesti. Seurannan ja arvioinnin tuloksia on nyt julkaistu kokeilun ensimmäisen toimintakauden (2021–2022) osalta.
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