Molecular motors power life – and perhaps future technology too
Molekyylimoottori on molekyyli tai molekyylikompleksi, joka muuntaa energiaa suunnatuksi liikkeeksi ja tekee työtä. Luonnossa tällaisia moottoreita esiintyy laajalti, ja ne hoitavat soluissa monia elämän kannalta välttämättömiä tehtäviä.
Yksi tunnetuimmista molekyylimoottoreista on ATP-syntaasi. Se on entsyymikompleksi, joka sijaitsee bakteereilla solua ympäröivässä solukalvossa ja ihmisillä mitokondrion sisäkalvossa.
ATP-syntaasi on hieno esimerkki siitä, miten solut hyödyntävät liikettä energian tuottamiseen.
”Molekyylimoottorit ovat luonnon omia nanokoneita, jotka mahdollistavat lukuisia elämän kannalta välttämättömiä toimintoja, kuten aineiden kuljetuksen ja energian hyödyntämisen soluissa”, kertoo tutkijatohtori Petteri Vainikka Jyväskylän yliopiston kemian laitokselta.
ATP-syntaasi toimii kuin nanokokoinen turbiini: Kalvon eri puolilla vallitseva protonien (vetyionien) pitoisuusero saa protonit virtaamaan moottorin läpi, mikä saa molekyylimoottorin roottorin pyörimään. Pyörimisliikkeen avulla ATP-syntaasi valmistaa ATP:tä, joka toimii solun keskeisenä kemiallisen energian välittäjänä.
Luonnon moottoreiden rinnalle tutkijat ovat kehittäneet myös synteettisiä molekyylimoottoreita. Ne ovat biologisia vastineitaan huomattavasti pienempiä orgaanisia molekyylejä, joiden liikettä voidaan ohjata esimerkiksi sähköimpulsseilla, ultraviolettivalolla tai näkyvällä valolla.
Tutkijat ottavat mallia luonnollisilta molekyylimoottoreilta
Jyväskylän yliopistossa Vainikka tutkii luonnon omia molekyylimoottoreita, erityisesti ATP-syntaasia. Tutkimuksessa hän hyödyntää edistyneitä tietokonemallinnuksia, joiden avulla voidaan tarkastella ilmiöitä, joita on vaikea tai jopa mahdotonta havaita kokeellisesti.
”Luonnon molekyylimoottorit ovat valtavan monimutkaisia. Simulaatioiden avulla voidaan tunnistaa, mikä ilmiössä on olennaista. Kun ymmärrämme mekanismit riittävän tarkasti, voimme myöhemmin myös testata niitä kokeellisesti”, sanoo Vainikka.
Pitkän tähtäimen tavoitteena on oppia luonnolta.
Luonto tarjoaa meille reseptikirjan. Kun ymmärrämme, miten luonnolliset molekyylimoottorit toimivat, voimme yrittää rakentaa niiden pohjalta uusia synteettisiä ratkaisuja.”
Vainikka tuo tutkimukseen osaamista Groningenin yliopistosta, jossa hän kehitti ja sovelsi Martini-simulaatiomenetelmää muun muassa ihmisen luomiin molekyylimoottoreihin. Menetelmässä osa atomitason yksityiskohdista jätetään pois, jotta suurten molekyylijärjestelmien käyttäytymistä voidaan seurata huomattavasti pidemmillä aika- ja kokoluokilla kuin perinteisillä simulaatioilla.
Molekyylimoottoreita teknologiaan ja biomateriaaleihin
Molekyylimoottoreiden tutkimuksen pitkän aikavälin tavoite ei ole ainoastaan ymmärtää liikettä nanoskaalassa vaan myös hyödyntää sitä uusissa teknologioissa. Vainikka ennakoi näkymiä:
Jos opimme suunnittelemaan luonnon toimintaperiaatteisiin pohjautuvia molekyylimoottoreita ja ohjaamaan niiden liikettä tarkasti, voimme tulevaisuudessa hyödyntää niitä täysin uudenlaisissa bioteknologian, lääketieteen ja nanoteknologian sovelluksissa.”
Tutkijat ovat jo osoittaneet, että moottoreita voidaan liittää biomateriaaleihin. Tällöin niiden liike voi saada materiaalin supistumaan lihaskudoksen tavoin tai vaikuttaa siihen, miten solut käyttäytyvät ympäristössään.
Vainikka oli mukana tutkimuksessa, jossa valolla toimivia molekyylimoottoreita kiinnitettiin pinnalle, jolla kasvatettiin mesenkymaalisia (alkion alkeissidekudoksesta peräisin olevia) kantasoluja. Moottorien aktivointi vaikutti solujen erilaistumiseen, ja tietokonesimulaatioiden avulla tutkittiin, kuinka vaikutus saattoi välittyä pinnalle kiinnittyneiden proteiinien kautta soluille.
”Se, että solussa havaitaan muutos, ei vielä kerro, mikä sen aiheutti. Simulaatioiden avulla voimme eristää yksittäisiä vuorovaikutuksia ja arvioida, voiko ehdotettu molekyylitason mekanismi selittää kokeellisen havainnon”, kertoo Vainikka.
Scifi-innostuksesta kansainväliseksi tutkijaksi
Vainikan kiinnostus molekyylikoneisiin juontaa juurensa lapsuuteen.
Innostuin lapsena 2000-luvun alun scifistä, jossa nanoteknologia ja nanokoneet olivat keskeisessä asemassa. Ajatus äärimmäisen pienistä koneista kiehtoi minua jo silloin”, naurahtaa Vainikka.
Tutkijan polku ei ole ollut kuitenkaan suoraviivainen. Hän aloitti opintonsa geologian parissa Turun yliopistossa, mutta päätyi myöhemmin opiskelemaan materiaalikemiaa. Laskennallisen kemian opinnot veivät mukanaan, ja erityisesti nanokokoiset koneet, kuten molekyylikytkimet ja molekyylimoottorit, alkoivat kiinnostaa.
Väitöstyönsä Vainikka teki Groningenin yliopistossa, jonka jälkeen hän työskenteli Wenner-Gren-tutkijatohtorina Lundin yliopistossa. Molekyylimoottoreiden tutkimuksessa hän teki yhteistyötä myös kemian Nobel-palkitun Ben Feringan tutkimusryhmän kanssa. Kun Jyväskylän yliopistossa avautui työpaikka professori Gerrit Groenhofin tutkimusryhmässä, oli päätös helppo.
”Olin seurannut Gerritin tutkimusta pitkään. Kun näin avoimen työpaikan, tuntui siltä kuin paikka olisi tehty juuri minua varten”, Vainikka kertoo.
Uteliaisuus vie tutkijan uralla eteenpäin
Vainikan mukaan tutkimuksen tekemiseen häntä vetää edelleen sama syy kuin uran alussa: halu ymmärtää, miten maailma toimii.
”Minulla on suorastaan patologista uteliaisuutta. Jos opimme ymmärtämään täsmällisesti, miten nämä pienet koneet toimivat, voimme mahdollistaa aivan uudenlaisia teknologioita. Mutta yhtä tärkeää on se, että saamme vastauksia peruskysymyksiin luonnosta”, sanoo Vainikka.
Molekyylimoottorit ovat vielä pitkälti perustutkimuksen kohteita, mutta niiden mahdollisuudet ulottuvat lääketieteestä materiaalitekniikkaan ja bioteknologiaan. Jokainen uusi tutkimustulos auttaa ymmärtämään paremmin luonnon omia nanokoneita ja voi samalla avata tien uudenlaisille teknologioille.
