Tiede 2/03, Sisko Loikkanen

Nanokemisti kehittää kojeita molekyyleistä

Kuljettimia, pumppuja, moottoreita, kapseleita. Nanotekniikka on vasta alkumetreillään, mutta haaveissa väikkyvät ohjelmoitavat pikkutyöläiset. Loistavia malleja ja ideoita nanoteknikoille tarjoaa solu.

Tietokone mahtuu taskuuni, se on näet niin pieni, että kuljetan sitä koko ajan mukanani. Sen oheislaitteena on matkapuhelin ja pikkuinen televisio hyvälaatuisine kuvineen. Vaatteisiini on kätketty pieniä antureita, jotka jäljittävät vaarallisia viruksia ympäristöstäni. Sisäelimissäni on nanoilmaisimia, jotka tunnistavat syöpäsolut ja kasvaimet. Jos käy niin huonosti, että tauti ilmaantuu, niin ei hätää, koska pikkumoottorilla kulkeva biorobotti vie oikean lääkeaineen kohdesolukkoon. Jos kudokseni on jo vaurioitunut, pieni kudostehdas uusii sen kätevästi.

Kuulostaa tieteisfiktiolta, mutta myös tieteeseen vakavasti suhtautuvat tutkijat esittävät yhä useammin vastaavia visioita tulevaisuudestamme. Mutta toteutuuko nanokojeiden aikakausi kahdenkymmenen vai sadan vuoden kuluessa, sitä ei kukaan kykene ennustamaan.

Nanotiede ja -tekniikka ovat tiensä alussa, ja tutkijoilla on huikea määrä tieteellisiä ongelmia voitettavana, ennen kuin nanosta todella tulee varteenotettava lisä elämäämme. Tie on kuitenkin avattu, ja kasvava joukko tutkijoita puurtaa nanosovellusten kimpussa.

Guru Feynman lausui syntysanat

Ajatus pienen pienistä koneista ei ole viime vuosien keksintöä. Visionäärinen fyysikko Richard Feynman piti 1959 kiinnostavan puheen Amerikan fyysikkoyhdistyksen kokouksessa. Feynman vetosi uudenlaisen fysiikan puolesta: laitteet pitäisi rakentaa huomattavan pieniksi, atomitason koneiksi. Mallia sopisi ottaa biologiasta, tieteestä, joka tuolloin oli pääsemässä jyvälle dna:n ja rna:n toiminnasta solussa.

Feynmanin puhe tuntuu hämmästyttävän tuoreelta vielä nytkin, yli 40 vuotta myöhemmin. Viime vuosikymmenien aikana tiede on edistynyt harppauksin: solun pieniä yksityiskohtia voidaan nähdä tarkasti ja atomeja siirrellä hallitusti. Miksei siis vihdoin koittaisi aika, jolloin nanotiede on käytännössä mahdollista?

Optimismi ja uteliaisuus ovat aina ohjanneet tutkimusta, ja niinpä nytkin visiot innostavat fyysikoita, kemistejä, puolijohdeinsinöörejä ja biotieteilijöitä: kenties se onnistuu sittenkin.

Nanometri on metrin miljardisosa eli 0,000 001 millimetriä. Tulevaisuudessa kojeet olisivat tätä kokoluokkaa, nanometreistä muutamiin satoihin tai ehkä jopa tuhansiin nanometreihin eli pienehköjen molekyylien kokoisista aina suuriin molekyylirakennelmiin asti. Ja kuten Feynman aikoinaan tutkijat toivovat, että pikkukojeet voitaisiin valmistaa atomeista tai molekyyleistä kooten.

Kemisti tarttuu legoihin

Yli sadan vuoden ajan kemistit puursivat laboratorioissaan koeputkien ääressä ja valmistivat molekyylejä. Vasta parikymmentä vuotta sitten he keksivät lähteä kunnolla kokeilemaan, mitä kaikkea syntyisi, jos molekyylejä ei liitettäisikään toisiinsa kemiallisten reaktioiden avulla – siis vahvoin sidoksin – kuten aiemmin pääasiassa oli tehty, vaan ne liimattaisiin isohkoiksi möhkäleiksi löyhästi eli heikoin sidoksin. Tästä sai alkunsa uusi kemian haara, supramolekyylikemia. Siitä on tullut todellinen ideapaja nanotieteen kehittäjille.

Kemisti käyttää nyt molekyylejä kuin legopalikoita. Hän nappaa kemikaalihyllystään palikat, sekoittaa ne koeputkessa sopivissa oloissa, ja humps, legot liittyvät toisiinsa kuin itsestään ja muodostavat suurehkon supermolekyylin. Molekyylit liimautuvat yhteen heikoin sidoksin, joita kemistin tarvekaapista löytyy monenlaisia.

Supramolekyylikemian isä, ranskalainen professori ja nobelisti Jean-Marie Lehn puhuu mielellään molekyyliin kätketystä informaatiosta: kukin molekyyli sisältää jo rakenteessaan tiedon siitä, miten se voi löyhästi liittyä supermolekyyliksi. Molekyylissä on itse asiassa tätä varten erityiset tarttumiskohdat.

Jos syntynyt supermolekyyli hajotetaan eli pikkumolekyylit irrotetaan toisistaan, niin olojen salliessa ne yhtyvät jälleen ja muodostavat uudestaan superrakenteen. Valitsemalla molekyylinsä taitavasti kemisti pystyy luomaan varsin monimutkaisia ja isohkojakin nanorakenteita.

Molekyyli tuntee kumppaninsa

– Supramolekyylikemiassa perusajatuksena on tehdä legoista rakennelmia, joiden avulla voidaan tunnistaa valikoidusti tietty molekyyli tai ioni, tarkentaa professori Kari Rissanen Jyväskylän yliopistosta.

Molekyylit käyttävät keskinäiseen viestintäänsä kolmiulotteista rakennettaan ja tarkkaa kemiallista luonnettaan. Onkalomainen molekyyli sieppaa ympäristöstään ionin, joka sopii siihen kooltaan ja kemialliselta rakenteeltaan. Tai molekyyli tunnistaa toisen, kun se sopii siihen kuin avain lukkoon.

Onkalomaisia, kuppimaisia, sauvamaisia, pallomaisia molekyylejä – kaikkia näitä on laboratorioissa kokeiltu. Kemistin tavoitteena on tehdä molekyyleistä pikkutyöläisiä, palvelijoita, jotka noudattavat tarkasti hänen antamiaan käskyjä. Nanotekniikan sovelluksissa nämä olisivat molekyylikuljettimia, kapseleita, säiliöitä, pumppuja, moottoreita.

Nanokytkin suostuu jo tottelemaan

Molekyyli voi myös toimia kuin valokytkin, joka napsautetaan päälle ja päältä pois. Tällaisia molekyylejä ovat esimerkiksi rotaksaanit. Tuoreessa kokeessa ns. pseudorotaksaani on suostunut kiltisti tottelemaan kemistin käskyjä: pitkän molekyylin ympärille kietoutunut rengas on valon ohjaamana viilettänyt molekyyliä pitkin kahden pääteaseman välillä. Kun valo kytketään päälle, rengas siirtyy toiselle pääteasemalle, kun valo kytketään pois, se kulkee toiselle asemalle.

Kemistit ovat rakentaneet myös renkaita, jotka avautuvat ja sulkeutuvat valon ohjaamina. Osaa molekyylikytkimistä säätelee liuoksen happamuus.

Nämä kemialliset kytkimet saattavat mullistaa elektroniikan: jos mikropiirit perustuisivat niihin, laitteet pienenisivät ja olisivat valtavan tehokkaita. Mutta tutkimus on vasta alkumetreillään.

– Hallitsemme perusasiat ja osaamme rakentaa tällaisia kytkimiä. Molekyylit ovat kuitenkin kovin pieniä, emmekä pysty käsittelemään niitä siten, että voisimme rakentaa laitteita. Tarvitaan vielä paljon uutta tietoa, ennen kuin pystymme muuttamaan ideat toimiviksi kojeiksi, Kari Rissanen selvittää.

Luonnon muotojen innoittamat kemistit ovat onnistuneet tekemään myös puun mallisia molekyylikasaumia, dendrimeerejä, joiden rungosta leviää haaroittunut oksisto eri suuntiin. Usein dendrimeeri on kuin pallo, jonka keskipisteestä tiheä oksisto haaroo pallon pintaa kohti. Dendrimeereiltä odotetaan paljon. Esimerkiksi pallomaisesta dendrimeeristä uskotaan tulevan vielä pikku kuljetin, jonka sisässä lääkeainekuorma siirtyy kohdesoluun.

Tekniikkaa suoraan solutehtaasta

Supramolekyylikemian konstit ovat itse asiassa solun arkipäivää, rutiineja suoraan solutehtaasta. Jean-Marie Lehn onkin todennut, että kemistin on hyvä ottaa opikseen biologiasta ja soveltaa omissa töissään samoja ideoita. Juuri näin kemistit nyt tekevät ja astuvat – kas kummaa – Richard Feynmanin osoittamalle tielle.

Nanoteknologin silmin katsottuna solu on todellinen aarreaitta: erillisistä molekyyleistä on kyhätty heikoin sidoksin tehokkaita toimijoita, kuten solukalvo, joka rakenneaineistaan itsestään muotoutuu pallokuoreksi, tai vaikka dna jättiläismäisine perinnöllisyyskoneistoineen.

Yksittäinen proteiinimolekyylikin on itse asiassa nanokoje, sehän vyyhteytyy polypeptidiketjusta lankarullamaiseksi häkkyräksi, joka sitten entsyyminä nopeuttaa jotakin tiettyä biokemiallista reaktiota solussa lankarullan toimiessa kuin lukkona avaimelle.

Solu siis pursuaa mahdollisuuksia, ja erityisesti Yhdysvalloissa tutkijat ovat viime vuosina ryhtyneet selvittämään, voidaanko solun nanorakenteita napata käyttöön myös ulkopuolelle, kuin solun omina tehdastuotteina. Elleivät ne sattuisi kelpaamaan nanokäyttöön aivan sellaisinaan, ominaisuuksia voitaisiin muutella geenitekniikan avulla.

Solun rakenteita on tietysti myös lähdetty suoraan jäljittelemään. Kemistit ovat esimerkiksi valmistaneet pitkiä molekyyliketjuja, jotka ovat koeputkessa kauniisti kietoutuneet kaksoiskierteeksi dna:n mallin mukaan. Keinotekoiset molekyyliketjut on myös saatu käämittymään proteiinin malliseksi lankarullaksi.

Moottorit ja robotit vielä alkeellisia

Liikkuvat nanokoneet eivät käy ilman moottoreita, ja siksi solun proteiinimoottoreita on tutkittu paljon.

Laboratorioissa on nähnyt päivänvalon jo muutama vinhasti pyörivä, mutta melko alkeellinen kemiallinen roottori. Solun ATPsyntaasi-entsyymin kimpussa häärää tutkijajoukko, joka yrittää tästä proteiinimöhkäleestä käyttökelpoista moottoria verisuonistossa uiskentelevaan lääkeainekuljettimeen.

Nanorobotti vaikuttaa kuvitteellisen tiedekirjallisuuden tuotteelta. Sellaisia kuitenkin tarvittaisiin nanoaikakauden nanoteollisille nanovalmistuslinjoille kojeita kokoamaan. Niinpä amerikkalaisessa tutkimusryhmässä on jo tehty keinotekoisesta dna-säikeestä alkeellinen robotti, jonka molekyylirobottikäsi on kemistin ohjauksessa kiltisti toistanut ihmiskädelle tyypillistä ottamisliikettä.

Yhdysvaltain terveysvirasto National Institutes of Health rahoittaa lääketieteellisen biorobotin perustutkimusta. Tavoitteena on nanosukellusvene, joka ensin kapseloi lääkeaineen sisäänsä, sitten kiitää verisuonistoa pitkin kohdesolukkoon ja lopuksi annostelee ja vapauttaa sinne lääkeainetta täsmälleen halutun määrän.

Liposomiin tietoa kohdesolusta

Lääketieteellisen robotin kantaäiti on liposomi, joka rakenteeltaan muistuttaa solukalvoa. Sitä käytetään jo menestyksellisesti siirtämään lääkeainetta soluun. Liposomipalleroita on helppo tehdä laboratoriossa. Kun rasva-aineita sekoitetaan vesiliuokseen, rasva-ainemolekyylit asettuvat sievästi kaksoiskerrokseksi kuin näkymättömän pallon pinnalle. Onttoon sisätilaan voidaan piilottaa lääkeaine.

Professori Ari Koskinen Teknillisestä korkeakoulusta pitää nykyistä liposomia tyhmänä nanolaitteena, koska siihen ei ole ohjelmoitu tietoa kohdesoluista.

– Liposomeihin on tosin jo onnistuttu kytkemään viestimolekyyli, joka ohjaa rakkulan kulkeutumaan syöpäsolukkoon. Hollannissa kehitetään myös nanolaitetta, jossa on pieni biologinen moottori. Moottorin pyörimisnopeutta voidaan säädellä ulkoisen ärsykkeen avulla, jolloin liposomi kulkeutuu kohdesoluun halutulla nopeudella, Koskinen kertoo.

Jos lääkeainetta kuljettava robotti onnistutaan tekemään, sen pitää olla vaaraton elimistölle. Ja entä sitten, kun nanorobotti on tehnyt tehtävänsä? Mihin se siirrettäisiin elimistössämme? nanorobottien kaatopaikalleko? Jäteongelmakin olisi siis kyettävä ratkaisemaan.

Nanobiotekniikkaan panostetaan

Viime vuosien aikana nanotiede ja biotekniikka ovat lähentyneet toisiaan jopa niin, että on alettu puhua nanobiotekniikasta. Siitä on tullut nopeasti kuuma ala, jolta sovelluksia odotetaan piankin.

Yhdysvalloissa nanobiotekniikan tutkimusryhmiä on syntynyt kuin sieniä sateella. Eurooppalaiset haluavat tietenkin oman osansa saaliista, ja niinpä Euroopan komissio on päättänyt lähivuosina kohdentaa rahoitusta myös nanobiotekniikkaan.

Suomessa tutkimusta tehdään muun muassa Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa VTT Biotekniikassa, missä on löytynyt jo muutama sovelluksen siemen.

Pumppu erottelee lääkeaineita

VTT Biotekniikan tutkimusjohtaja Hans Söderlund ja tutkija Tarja Nevanen kehittivät amerikkalaisryhmän kanssa nanopumpun, joka erottelee toisistaan lääkeaineen kaksi eri muotoa, vaikka nämä eroavat toisistaan vain mitättömän vähän. Toinen muodoista on elimistölle käyttökelpoinen ja haluttu, toinen taas hyödytön. Eroon nämä saadaan ohuen kalvon avulla, johon on ammuttu reikiä.

Pintakäsitellyt reiät muodostavat kalvon läpi nanoputkia, joihin voidaan kiinnittää erityisiä tunnistinmolekyylejä. Ne voivat olla esimerkiksi sellaisen vasta-aineen osia, jotka tunnistavat tarkasti vain halutun lääkeainemuodon.

Kalvoista apua diagnostiikkaan

VTT:ssä on tutkittu paljon entsyymejä, ja entsyymitutkimuksen sivutuotteena erään homeen pinnalta löytyi sattumalta kiinnostava proteiini. Tämä käyttäytyi oudosti: kun sitä pantiin vesiliuokseen, se muodosti kalvoa. Atomivoimamikroskooppikuvassa kalvo näkyy pomppukenttänä, mikä paljastaa, että proteiinimolekyylit asettuvat siinä toistensa viereen, tarttuvat toisiinsa – kuin kädestä pidellen – ja samalla kiinnittyvät myös viereisten rivien proteiinikavereihin.

Nyt tutkijat yrittävät selvittää, minkälaisella mekanismilla puolentoista nanometrin paksuinen kalvo syntyy, ja pohtivat, voitaisiinko kalvosta kenties kehittää kelpoista diagnostiikkateollisuuden käyttöön.

– Käyttämällä tämänkaltaisia kalvoja voidaan mahdollisesti rakentaa entistä tehokkaampia ja pienempiä laitteita esimerkiksi eri molekyylien pitoisuuden määrittämiseen, pohtii erikoistutkija Markus Linder VTT Biotekniikasta.

VTT:n esimerkit antavat viitteitä siitä, mihin nanobiotekniikan tutkimus johtaa. Sovelluksina on kojeita, joissa solujen molekyylit ja niiden kemiallisesti muunnetut sukulaiset toimittavat biologisia tehtäviään, kun taas ihmiskäden jälki näkyy nanolaitteen kokonaistoteutuksessa.

Molekyylibiologian tutkimus edistyy nopeasti ja antaa pontta nanobiotekniikan kehitykseen. Kun alalla häärii suuri joukko osaajia, voimme mitä ilmeisimmin odotella jännittäviä luomuksia.

Sisko Loikkanen on Yleisradion tiedetoimittaja ja kemian diplomi-insinööri.

[sivun alkuun] [sisällys] [etusivu]