Kemia kartalle

Transkriptio

1 15 Kemia kartalle

2

3

4

5 Kemia kartalle SISÄLLYSLUETTELO Esipuhe 2 Johtajan jorinat 3 Ohjelma 10 Luonnonyhdistekemia Tutkimusryhmäesittely 13 LuK-tutkielmien abstraktit 19 FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut 27 FT-vaiheen etenemisraportit 33 Laitekeskuksen FT-vaiheen etenemisraportti 45 Bio-orgaaninen kemia Tutkimusryhmäesittely 48 LuK-tutkielmien abstraktit 51 FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut 53 FT-vaiheen etenemisraportit 57 Radiofarmaseuttisen kemian laboratorion FM-erikoistyötä käsittelevä minijulkaisu 79 Radiofarmaseuttisen kemian laboratorion FT-vaiheen etenemisraportit 81 Funktionaalinen materiaalikemia Tutkimusryhmäesittely 90 FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut 95 FT-vaiheen etenemisraportit 101 Epäorgaaninen materiaalikemia Tutkimusryhmäesittely 112 LuK-tutkielmien abstraktit 117 FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut 119 FT-vaiheen etenemisraportit 121 1

6 Kemian kevät 2015 Esipuhe Arvoisat Kemian kevät 2015 tapahtuman osanottajat ja tämän vihkosen lukijat, Yliopistomaailma on Suomessa jo tottunut siihen, että mikään muu ei ole pysyvää kuin muutos. Maailma ei tunnu koskaan tulevan valmiiksi, joten muutoksiahan siihen sitten pitää tehdä. Vaikka tähän jatkuvaan muutosprosessiin aletaan jo vähitellen väsyä, niin on se toisaalta nähtävä myös mahdollisuutena. Jos lasiin suhtautuu näin puoliksi täytenä, on meillä siis käsissämme jatkuva mahdollisuuksien sarja. Kemian laitoksen kohdalla tilanne on juuri näin ja näitä mahdollisuuksia pyritään kuvaamaan tämän vihkosen sivuilla. Sen vuoksi normaalien alkusanojen lisäksi olen lisännyt muutaman sivun tarinoita, joiden tarkoituksena on valottaa laitoksella jatkossa tapahtuvia muutoksia niin henkilökunnalle kuin opiskelijoille. Kaikkein pienimpänä muutoksena, joka on jo lisäksi toteutunut, voidaan pitää tämän vihkosen sisältöön tehtyä rakenteellista uudistusta. Tänä vuonna mukaan on otettu ensimmäistä kertaa myös väitöskirjaa valmistelevat jatko-opiskelijat ja näin vihkosta lukemalla on mahdollista muodostaa jo melko hyvä kokonaiskäsitys kemian laitoksella tehtävästä tutkimuksesta. Ensi vuonna jatkoopiskelijoita odottaa uusi uudistus, mutta ei siitä tässä vaiheessa sen enempää. Perinteisesti Kemian kevät tapahtumassa päärooli on annettu opiskelijoille ja niin on tänäkin vuonna. LuK-vaiheen opiskelijat esittävät vihkosessa omaan tutkielmaansa liittyvän yhden sivun mittaisen lyhennelmän, joka on tarkoitettu esimerkiksi abstraktista, jonka avulla tutkijat hakevat pääsyä esimerkiksi kansainväliseen tiedekonferenssiin. Kun pääsy on taattu, kirjoittavat tutkijat konferenssista laadittavaan kirjaan esimerkiksi kaksisivuisen julkaisun, jonka formaattia FMopiskelijat taas ovat pyrkineet noudattamaan oman viisikuukautisen erikoistyön tuloksista kertovissa teksteissään. Jatko-opiskelijoilla tieteen kieli on yleisesti englanti ja tällä logiikalla he kertovat tämän vihkosen sivuilla oman nelivuotisen prosessinsa etenemisestä. Näin saadaan aikaan melko hyvä naamakirja kemian laitoksen tutkimusaktiviteetista kolmella eri tasolla etenevien opiskelijoiden silmin nähtynä. Itse Kemian kevät 15 tapahtuma avataan tänä vuonna FM-opiskelijoiden töiden lyhyillä muutaman minuutin trailer-tyylisillä esittelyillä, jotta kaikilla laitoksen henkilö- ja opiskelijakuntaan kuuluvilla on mahdollisuus päättää kenen esityksen he haluavat kuulla keskiviikkona tai torstaina kokonaisuudessaan, jos aivan kaikkia esityksiä ei jaksaisikaan käydä kuuntelemassa. Tiistaina järjestetään lisäksi posterisessio I ja sen perään Varsinais-Suomen alueen opoilla on mahdollisuus saada lisätietoa yliopisto-opinnoista ja yliopistoon hakemisesta. Keskiviikkona ja torstaina käydään läpi perinteiset opiskelijaesitelmät. LuK-vaiheessa olevat opiskelijat ovat valmistelleet tutkielmastaan tieteellisen esitelmän ja saavat näin ensimmäisen kosketuspinnan siitä, millaista on esiintyä kansallisissa konferensseissa. FM-opiskelijat ovat tässä suhteessa jo jossain määrin konkareita, joskin he saavat nyt ensi kertaa esittää omia tutkimustuloksiaan isommalle yleisölle, niin posterein kuin esitelmin. Kuulijakunnalla on velvollisuus paitsi esittää jokaiselle esiintyjälle asiaan kuuluvia kysymyksiä, niin myös seurata esityksiä siinä määrin tarkkaavaisesti, että voivat ottaa osaa leffalippuja palkintona jakavaan kisaan. Tapahtuman päättää torstaina iltajuhla, josta saamme kiittää tapahtumaa sponsoroineita yrityksiä ja muita kemiasta kiinnostuneita tahoja, tietenkään laitoksen omaa vapaaehtoistyövoimaa unohtamatta. Lopuksi haluan toivottaa lämpimät etukäteisonnittelut kaikille tapahtumaan osallistuville kemian opiskelijoille. Iltajuhla on teitä varten ja olette juhlanne ansainneet! Turku,

7 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat Johtajan jorinat Yksi kemian kevät vihkosen uudistuksia on käyttää tätä kerran vuodessa julkaistavaa opusta tiedonjakokanavana niin opiskelijoiden, henkilökunnan kuin muiden kemian laitoksen asioista kiinnostuneiden tahojen suuntaan. Nyky-yliopiston johtamismalli on sikäli yksinkertainen, että rehtori johtaa yliopistoa, dekaaanit johtaa tiedekuntia ja laitosjohtajat johtaa laitoksia. Tämä kaikki voidaan tehdä hyvässä yhteisymmärryksessä eri henkilöstö- ja sidosryhmien kanssa, mutta yhteisymmärryksen puutteessa laitosjohtajalla on laitoksen asioista aina ylin päätäntävalta ja se voidaan kokea ongelmana verrattuna aiempaan tapaan, jossa kaikkia henkilöstöryhmiä edustanut laitosneuvosto päätti asioista yhdessä. Kemian laitoksella ei onneksi ole ollut juuri lainkaan merkittäviä erimielisyyksiä suurista linjoista, mutta siitä huolimatta on tarpeellista jakaa aika ajoin informaatiota tehdyistä päätöksistä ja tulevaisuuden suunnitelmista, sikäli kun niitä on mahdollista etukäteen julkistaa. Kemian laitos elää tällä hetkellä ehkä historiansa suurimman mahdollisuuden aikaa ja tämä mahdollisuus pitää nyt käyttää hyväksi oikealla tavalla. Olemme mukana monessa kansallisesti ja kansainvälisesti merkittävässä hankkeessa ja sen lisäksi olemme täyttämässä laitokselle viittä pysyväisluonteista tehtävää, joista kolme on professuuria ja kaksi yliopistonlehtorin tehtäviä. Näissä rekrytoinneissa ei ole mahdollisuutta epäonnistua, vaan ne pitää hoitaa niin, että laitoksessa kasvaa dynaamisuus ja tekemisen sekä eteenpäin menemisen meininki. Kaikkien pitää ymmärtää se, että jokaisen rekrytoinnin tavoitteena on vain ja ainoastaan koko laitoksen edun tavoittelu. On epätodennäköistä, että eteemme tulee nopeasti tai koskaan samankaltaista mahdollisuutta, jossa voimme kehittää laitoksen toimintaa viiden merkittävän rekrytoinnin myötä. Samaan aikaan on mahdollista, että lisäämme laitoksen dynaamisuutta ottamalla tiloihimme lääketieteelliseen kemiaan keskittyvän professorivetoisen tutkimusryhmän. Toteutuessaan tämä olisi osa kansallisesti merkittävänä nähtävää Lääkekehitys ja diagnostiikka hanketta, johon myös kemian laitos on sitoutunut omia rekrytointeja suunnitellessaan. Aika näyttää miten tässä kaikessa onnistutaan ja kuinka merkittävään nousuun laitos saadaan näiden uusien avausten myötä. Kemian laitos ei ole vielä niin moderni, että olisi avannut verkkomaailmaan omia blogejaan tai muuta tällaista nyky-yhteiskunnan hektisen kommunikoinnin kanavaa. Sen sijaan tähän vihkoseen avataan nyt Johtajan jorinat kanava, joka toivottavasti parantaa tiedonkulkua ja jakoa tässä tilanteessa, jossa muutos saattaa näyttää ainoalta pysyvältä elementiltä. Muutosvastarinnan sijaan tilanteeseen pitää pystyä suhtautumaan positiivisesti, koska tavoiteltujen muutostenkin jälkeen kemian laitoksella tehtävä tutkimus on edelleen tutkijoiden ja tutkimusryhmien omissa käsissä, ja innovatiivisuudelta ja perustutkimuksen kaltaiselta tärkeältä toiminnalta ei olla leikkaamassa siipiä pois. Kemian laitos on tulevaisuudessakin paikka, jossa tutkijalla on mahdollisuus luoda uusia avauksia, mutta niille avauksille ollaan nyt luomassa tietyt puitteet, joiden raameissa pitäisi pysyä. Ne ajat ovat ohi, jolloin jokainen sai tutkia täysin vapaasti yksin omassa kopissaan mitä halusi ja laitos antoi siihen rahat. Näin pienellä laitoksella ei ole jatkossa varaa tällaiseen toimintaan ja tämän vuoksi halusinkin esittää jokaiselle väitöskirjatyöntekijällemme kysymyksen, mikä hänen tutkimuksessaan on merkittävää oman tutkimusryhmän kannalta. Kun tähän kysymykseen saadaan monia hyviä vastauksia ja jokainen tutkimusryhmä onnistuu hankkimaan laitoksen profilointia tukevaa merkittävää ulkopuolista rahoitusta, niin olemme osa oikeaan, positiiviseen suuntaan vyöryvää kokonaisuutta. Seuraavilla sivuilla tulee lisää jorinaa aiheista: Kemia kartalle mitä ihmettä? Mitä opiskelijan tulisi tietää kemian laitoksen rakenteesta? Laitoksen laiteinfrastruktuuri uudistuu juuri ajoissa? Muutoksen tuulet puhaltaa mutta myötä- vai vastatuuleen? 3

8 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat Kemia kartalle mitä ihmettä? Tämänvuotisen kemian kevät tapahtuman teemana on kemia kartalle. Tällä viitataan Suomen yliopistoissa kemian ja kemiantekniikan koulutusta antavien yksiköiden yhteishankkeeseen Kemia Suomi, jonka tavoitteena on saada kemia paremmin kartalle noin yleisestikin ottaen, mutta erityisesti tällä tarkoitetaan kemian saattamista niin sanotulle kansalliselle tiekartalle, jota kautta eri tieteenalat voivat saada käyttöönsä merkittäviä infrastruktuurimäärärahoja. Hankkeen aikana yhdeksän eri yliopiston kemian laitosjohtajat ja muut edustajat ovat istuneet yhteisen pöydän ääressä lukuisia kertoja ja saaneet aikaan tarkan kuvan tällä hetkellä Suomessa tehtävästä kemian ja kemiantekniikan tutkimuksesta. Kunkin laitoksen listattua tärkeimmät tutkimushankkeensa voitiin todeta yliopistoissa tehtävän kemian tutkimuksen olevan hyvin temaattista ja keskittyneen etsimään vastauksia ihmiskunnan suuriin haasteisiin: energia, ruoka, puhdas vesi, terveys ja hyvinvointi, ympäristö, ja raaka-aineiden riittävyys. Tutkimus jakautuu neljään pääteemaan kaavion 1 mukaisesti: (1) ihmisen ja hyvinvoinnin kemia, (2) kestävä kemia, (3) energian tuotantoon ja varastointiin liittyvä kemia, ja (4) materiaalikemia. Kemian ja kemian tekniikan tutkimus Suomessa Ihmisen ja hyvinvoinnin kemia Kestävä kemia Energian tuotantoon ja varastointiin liittyvä kemia Materiaalikemia UTU: Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä UTU: Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä UTU: Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä UTU: Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä Kaavio 1. Kemian ja kemian tekniikan tutkimuksen neljä pääteemaa Suomessa ja niitä pääosin toteuttavat tutkimusryhmät Turun yliopiston kemian laitoksessa. Pääteema-alueet ovat niin laajoja, että niiden alle mahtuu huomattavan suuri kirjo erilaisia tutkimuskokonaisuuksia. Kemian yksiköiden tavoitteena onkin selventää eri yliopistojen työnjakoa niin, että suorilta päälekkäisyyksiltä vältyttäisiin. Tässä yhteydessä jokaisen yksikön pitää pystyä selkeästi osoittamaan, miten se on omalta osaltaan profiloitunut Suomen kemian tutkimuksen kentässä. Kaiken kaaviossa 1 kuvatun kemian tutkimuksen perustana ja yhdistävänä tekijänä ovat kemialliset menetelmät ja niihin liittyvä infrastruktuuri: synteettinen kemia, analytiikka, spektroskopia, laskennallinen kemia, materiaalien karakterisointi. Nämä ovat siis tutkimukselle välttämättömiä komponentteja, joiden pitää olla kunnossa jokaisessa varteenotettavassa kemian laitoksessa, mutta niitä ei sinällään lasketa mukaan neljään tutkimukselliseen pääteemaan, koska ne ovat taustavaikuttajina mukana kaikissa teemoissa. Turun yliopiston kemian laitoksen profilointityö aloitettiin jo noin kymmenen vuotta sitten, kun laitosrakenne muutettiin nykyiseen kahden laboratorion malliin: orgaanisen kemian ja kemiallisen 4

9 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat biologian laboratorio ottaa tällä hetkellä osaa teemoihin ihmisen ja hyvinvoinnin kemia sekä kestävä kemia, ja materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio teemaan materiaalikemia. Näistä ensin mainittu laboratorio on tutkimuslinjoiltaan Suomen mittakaavassa täysin ainutlaatuinen vahvoine bio-orgaanisen kemian ja luonnonyhdistekemian aloineen, joita yhdistää vahvasti yleisteema kemiallinen biologia. Jälkimmäistä laboratoriota taas yhdistää vahvasti yleisteema materiaalikemia, jonka profiloinnin haasteena on se, että materiaalikemia nähdään vahvana tieteenalana lähes kaikissa Suomen yliopistoissa. Turussa profilointi on kohdistunut elektroaktiivisiin materiaaleihin, loisteaineisiin ja aurinkoenergian keräykseen liittyviin sovelluksiin. Edellä mainittujen tutkimuslinjojen eteenpäin vieminen ja jatkoprofilointi Turun yliopiston kemian laitoksessa vaatii pitkäjänteisyyttä ja jokaisen työntekijän sitoutumista yhteisiin tavoitteisiin. Lisäksi kemian parempi kartalle saaminen vaatii tutkijoiden ajoittaisia esiintuloja, tarkoittaen aktiivisempaa kemian tieteellistä viestintää. Kemianteollisuus on tällä hetkellä Suomen tärkein vientiala ja kemian tuotteiden osuus Suomen koko viennistä on noin neljännes. Kun samaan aikaa kemian laitoksella tehtävä tutkimus on korkealaatuista ja kansainvälisesti arvostettua, ei ole mitään syytä pitää kynttilää vakan alla. Onneksi laitoksen jokaisesta tutkimusryhmästä on viimeksi kuluneen kahden vuoden aikana noussut esiin tutkijoita, jotka ovat tämän oivaltaneet. Tätä suuntausta pitää jatkaa, ellei parempana suuntauksena sitten pidetä hiljaiseloa ja vähittäistä näivettymistä. Jokainen tutkija ja tutkimusryhmä ratkaisee omalla kohdallaan mihin suuntaan haluaa pyöränsä pyörivän. Mitä opiskelijan tulisi tietää kemian laitoksen rakenteesta? Edellisessä kappaleessa (Kemia kartalle mitä ihmettä?) kuvatun kansallisen profiloinnin lisäksi, kemian laitoksen tutkimuksen ja opetuksen profilointi on tärkeää opiskelijan kannalta katsottuna. Mitä selkeämpänä laitoksen rakenne ja profiili pidetään, sitä helmompaa myös opiskelijan on hahmottaa, miten hänen kannattaa kemian opinnoissaan suuntautua. Menneinä vuosina edes kaikki opiskelijatuutorit eivät ole aina hahmottaneet, mikä kemian laboratoriojaossa on oleellista tai mitä ovat ne tiedot ja taidot, joita kussakin laboratoriossa opiskelijoille voidaan opettaa. Tämä on tietty valitettavaa, mutta toivottavasti historiaa, kun jo kahden vuoden ajan ensimmäisen vuoden opiskelijoille on esitelty eri tutkimusryhmien toimintaa ja tätä kautta ryhmillä on ollut mahdollisuus jakaa totuudenmukaista informaatiota eteenpäin. Toivottavasti tilanne jatkuu tämänkaltaisena ja selkeytyy mahdollisuuksien mukaan edelleen. Tätä prosessia helpottamaan on tähän vihkoseen lisätty esittelyt kustakin tutkimusryhmästä ja edelleen niiden perään näissä ryhmissä työskentelevien LuK-, FM- ja FT-vaiheen opiskelijoiden abstraktit tai minijulkaisut. Kemian laitoksessa toimii tällä hetkellä kaavion 2 mukaisesti kaksi tutkimuslaboratoriota, joissa molemmissa on kaksi tutkimusryhmää. Kahden ensimmäisen opiskeluvuoden aikana opiskelija tutustuu näitä laboratorioita ja tutkimusryhmiä paremmin opetuslaboratorioon, joka myös on osa kemian laitosta. Siinä missä opetuslaboratoriossa vietetty aika saa opiskelijan orientoitumaan kemiassa niin oleelliseen laboratoriotyöskentelyyn, niin opintojen jatkon kannalta kaavion 2 vihreät ja kellertävät laatikot ovat niitä vielä ratkaisevampia. Nämä valinnat muodostavat sen polun, jonka varrelta opiskelija imee itseensä sen ekspertiisin, jonka turvin hän hakee itselleen työ- tai jatkoopintopaikkaa kemistiksi valmistuttuaan. 5

10 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat Kemian laitos Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä Kaavio 2. Kemian laitoksen tämänhetkinen laboratorio- ja tutkimusryhmärakenne. Osa orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian opiskelijoista voi suuntautua myös radiokemian tutkimusryhmään, joka toimii PET-keskuksessa. Tämän lisäksi laitoksessa toimii kaikkia ryhmiä palveleva laitekeskus, jossa on jatkossa mahdollista tehdä laitoksen tutkimusprofiiliin sopivia erikoistöitä ja/tai väitöskirjoja. Kemistiksi tähtäävä opiskelija etenee kaksi ensimmäistä vuotta enemmän tai vähemmän putkimaista opintopolkua pitkin kaavion 2 punertavassa laatikossa, jossa ei juuri haaroittumismahdollisuuksia ole. Ainoa merkittävä poikkeus on kemian aineenopettajaksi tähtäävät, joilla toiseksi opetettavaksi aineeksi tulevasta alasta pitää opiskella 60 op kokonaisuus ja tämä on syytä aloittaa jo kahtena ensimmäisenä vuonna. Kolmantena opintovuonnaan kemian opiskelijan pitää pystyä päättämään, jatkaako opintojaan orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian vai materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorion tarjoamilla vaihtoehtopoluilla. Myös opettajaksi suuntautuvat tekevät tämän päätöksen. Kolmannen vuoden syksyllä ensimmäisen periodin aineopintojen harjoitustyöt III noudattaa jo tätä joko/tai -valintaa ja valinta täsmentyy edelleen kolmannen vuoden toiseen periodiin mennessä, kun opiskelija ilmoittautuu LuK-harjoitustyöhön; opettajalinjalaisilla LuK-työ on lyhyempi kuin kemistiksi tähtäävillä. Tätä valintaa tehdessä on jo syytä paneutua siihen, mikä on opiskelijan mielestä se oikea polku kohti FM-tutkintoa ja kuka on tätä polkua jatkossa ohjaava vastuuprofessori. Tätä valintaa selkeyttääkseni olen koonnut seuraaville sivuille lyhyesti laitoksen kahden laboratorion nykytilanteen ja kuvauksen niiden tulevaisuuden suunnitelmista, sikäli kun olen niistä tietoinen. On kuitenkin tarpeen lisäksi huomioida, että parhaan kuvan kulloisestakin tilanteesta saa aina henkilökohtaisen kontaktin kautta ja jos asioissa on epäselvyyksiä, ei mikään ole järkevämpää kuin astella potentiaalisen vastuuprofessorin pakeille ja selvittää asiat sitä kautta. Jos tähän rohkeus ei riitä, apua on tarjolla myös opettajatuutoreiden ja kemian laitoksen toimiston kautta. 6

11 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio Laboratoriossa on kaksi vastuuprofessoria, joista kummallakin on oma tutkimusryhmänsä. Prof. Harri Lönnberg vetää Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmää ja prof. Juha-Pekka Salminen vetää Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmää. Molemmat ryhmät keskittyvät tällä hetkellä erityisesti suurikokoisten molekyylien kemialliseen biologiaan. Opiskelijan kannalta tilanne on sikäli selkeä, että orgaanisesta synteesistä ja sen kehittämisestä kiinnostuneiden kannattaa valita jo LuK-vaiheessa prof. Lönnbergin ryhmä, kun taas orgaanisten yhdisteiden kemiallisesta analytiikasta ja sen kehittämisestä kiinnostuneiden kannattaa suuntautua LuK-vaiheessa prof. Salmisen ryhmään. Molemmat ryhmät toki tekevät paljon muutakin ja ryhmien nettisivut ja tämän vihkosen kautta avautuva tutkimusprofiili toivottavasti valottavat tätä asiaa edelleen. PET-keskuksessa toimii prof. Olof Solinin vetämä radiokemian tutkimusryhmä ja joillakin opiskelijoilla on mahdollisuus suuntautua myös sinne kehittämään radioaktiivisesti leimattujen lääkeaineiden synteesiä. Tässä mielessä radiokemian ryhmä on siis rinnakkaisvalinta prof. Lönnbergin ryhmän kanssa, koska molemmissa ryhmissä tutkimus etenee orgaanisten molekyylien synteesin kautta. Radiokemian maisteriopiskelijat ja väitöskirjatyöntekijät on tämän vuoksi listattu tässä vihkosessa bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmän välittömään läheisyyteen, vaikka radiokemian tutkimusryhmä ei ole kemian laitoksen oma tutkimusryhmä, vaan toimii siis PETkeskuksessa. Laitoksen tiloissa toimiva Turun yliopiston ja Åbo Akademin yhteinen kemian laitekeskus vetäjänään erikoistutkija Jari Sinkkonen omaa myös resursseja maisteriopiskelijoiden ja väitöskirjatyöntekijöiden ohjaamiseen, vaikka se ei sen päätehtävä olekaan. Laitekeskus ei sinällään kuulu kumpaankaan laboratorioon, mutta massaspektrometrian ja NMR-spektroskopian kautta etenevä tutkimus linkittyy tiiviimmin orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratoriossa tehtävään tutkimukseen. Tätä tukee myös laitekeskuksen väitöskirjatyöntekijän linkittyminen epäsuorasti luonnonyhdistekemian tutkimusryhmään. Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratoriossa on tapahtumassa isoja muutoksia lähiaikoina. Olisi ehkä väärin sanoa, että toimintaa ollaan kehittämässä, koska kansallisesti ja kansainvälisesti korkealle arvostettu professori Lönnberg on jäämässä eläkkeelle syksyllä Tosiasia kuitenkin on, että laboratorioon ollaan rekrytoimassa kahta uutta orgaanisen kemian professoria. Tämän lisäksi on mahdollista, että jatkossa laboratorion tiloihin sijoittuu vielä neljäskin professuuri, mutta jonka rahoitus ei tule kemian laitoksen kautta. Näillä muutoksilla pyritään vahvistamaan laboratorion kansallisesti vahvaa profiilia kemiallisen biologian tutkimuksessa sekä luomaan uusia edellytyksiä Turun alueelle vahvuusalueeksi pyrkivälle Lääkekehitys ja diagnostiikka sektorille. Jos näkyvissä olevat muutokset viedään läpi onnistuneesti, on seurauksena se, että laboratoriossa voi jatkossa toimia jopa neljä tutkimusryhmää, mikä on varmasti omiaan kasvattamaaan laboratorion dynaamisuutta entisestään. Tällöin laboratorion profiiliksi voi hyvinkin täsmentyä kemiallinen biologia ja lääkekehitys, jota kaikki ryhmät tukisivat omalla toisiaan täydentävällä panoksellaan. 7

12 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio Laboratoriossa on tällä hetkellä kolme professoria ja kaksi tutkimusryhmää ja niistä molemmat ovat vahvasti profiloituneet materiaalikemialliseen tutkimukseen. Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmässä toimii prof. Carita Kvarnström, prof. Jukka Lukkari ja prof. Keijo Haapakka. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmää vetää tällä hetkellä yliopistonlehtorit Mika Lastusaari ja Ari Lehtonen. Laboratorion ryhmäjako on läpikäymässä muutoksia, ei vähiten sen vuoksi, että analyyttisen kemian luento-opetuksesta vastannut prof. Haapakka on jäämässä eläkkeelle vuoden 2016 alussa ja epäorgaaniseen kemiaan ollaan parhaillaan rekrytoimassa uutta professoria. Analyyttiseen kemiaan ei haeta uutta professoria, vaan opetus hoidetaan jatkossa yliopistonlehtorin tehtävän kautta. Näillä kahdella uudella tehtävällä pyritään kasvattamaan laboratorion dynaamisuutta etenkin tutkimuspuolella ja eläköitymisten ja rekrytointien jälkeen näemme millaiset tutkimusryhmät materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorioon muotoutuu. Odotettavissa on kolmen tutkimusryhmän hyvässä yhteistyössä toimiva kokonaisuus. Tällä hetkellä laboratoriossa toimii siis kaksi tutkimusryhmää ja LuK-vaiheeseen siirtymässä olevan opiskelijan pitäisi pystyä päättelemään mitä polkua pitkin oma FM-tutkinto kannattaa rakentaa ja kuka on tätä polkua ohjaava vastuuprofessori. Toiminnallisten materiaalien ryhmässä on tällä hetkellä tarjolla kaksi vaihtoehtoa, omalla tavallaan käytäntö vs. teoria. Prof. Carita Kvarnström on vastuussa sovelletusta materiaalikemiasta, jonka avulla pyritään löytämään käytännön ratkaisuja materiaalikemiallisiin ongelmiin. Prof. Jukka Lukkarin vastuulla on fysikaalinen materiaalikemia, joka lähestyy materiaalikemiaa askeleen tai pari teoreettisemmalta pohjalta. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmän jatkokuvioiden kannalta oleellista on, kuinka epäorgaanisen kemian professorin rekrytoinnissa tullaan onnistumaan. Molemmat materiaalikemian ryhmät toki tekevät paljon muutakin ja ryhmien nettisivut ja tämän vihkosen kautta avautuva tutkimusprofiili toivottavasti valottavat tätä asiaa edelleen. Laboratorion profiiliksi on joka tapauksessa muotoutunut hyvin vahvasti materiaalikemia, mutta profiilin täsmentymistä jouduttaneen odottamaan yli uusien rekrytointien. Laitoksen laiteinfrastruktuuri uudistuu juuri ajoissa? Kemia on hyvin vahvasti laboratorio- ja laitevaltainen tieteenala ja ilman näitä kahta komponenttia on hyvin vaikeaa tehdä vakavasti otettavaa kemiallista tutkimusta. Laboratoriovaltaisuus aiheuttaa myös tavallaan ongelman infrastruktuuripuolella, koska iso osa käytettävissä olevista määrärahoista kuluu tilavuokriin. Toinen ongelma on se, että suurin osa kemian laitekannasta on ns. keskikalliita investointeja (miljoona euroa tai sen alle), joita tarvitaan paikallisesti juuri siellä missä tutkimustakin tehdään. Näin ollen kemian laitosten on ollut hankalaa hankkia laitteita yhteistyössä ja sen vuoksi ala ei ole pärjännyt hyvin infrastruktuurihankinnoissa vielä kalliimpien laitteiden kansallisella tiekartalla. Tähän pyritään nyt saamaan muutos kemian laitosten kasvaneen yhteistyön seurauksena ja työn alla on ensimmäisen ison Kemia Suomi hankkeen yhteiskäyttöön tulevan laitteen hakuprosessi. Turun seudulla on vahvuutena Turun yliopiston ja Åbo Akademin vuosia jatkunut kemian alan yhteistyö, jonka seurauksena tänä vuonna molemmat tahot investoivat vajaat miljoona euroa 8

13 Kemian kevät 2015 Johtajan jorinat kumpikin kemian laitoksen NMR-laitekannan päivitykseen. Kun kemian laitos on samanaikaisesti tuplannut omat laiteinvestointinsa tilapäisesti tavoitteena kasvu pienellä riskillä mieluummin kuin näivettyminen ilman riskiä näyttää laitoksen tutkimusryhmien infrastruktuuri kotvan kuluttua siltä, että siitä ei tarvitse itkeä muutamaan vuoteen ainakaan kovin vuolaasti. Tämä on tärkeää niin tutkimuksellisesti kuin opiskelijoidenkin kannalta, jotta kaikille tahoille pystytään tarjoamaan ajanmukaiset ja modernit tutkimuslaitteet. Monella kemian alalla suurimmat tutkimukselliset innovaatiot ja avaukset syntyvät juuri uusien laitteiden avaamien mahdollisuuksien kautta. Enää ei siis tarvita muuta kuin jatkuvia uusia innovaatioita ja sitä kautta uutta tutkimusrahoitusta. Positiivinen pyörä olisi pidettävä pyörimässä oikeaan suuntaan ja nyt tätä palloa on helppo tarjota tutkijoille ja tutkimusryhmille. Kuka ottaa kopin, kuka juoksee kunnarin? Ei ole enää laitteista kiinni. Laitokseen rekrytoitavat professorit ja yliopistonlehtorit saavatkin käyttöönsä hyvän laitekannan, juuri oikeaan aikaan. Olettaen tietty, että laitehankinnoissa onnistutaan. Muutoksen tuulet puhaltavat myötä- vai vastatuuleen? Jos jollakin tämän vihkosen lukijalla on ollut riittävästi kestävyyttä lukea johtajan jorinoita näin pitkälle asti, on hänelle ehkä käynyt selväksi, että lyhyen ajan sisään kemian laitos tulee käymään läpi ison joukon muutoksia. Yksi tiedossa ja julkistettavissa oleva muutos jäi vielä listaamatta ja se on opetuslaboratorion esimiehenä toimivan perusopetuksen yliopistonlehtorin paikan vakinaistaminen. Tämä tehtävä ei ole sen vähäpätöisempi kuin professorienkaan rekrytoinnit, sillä opetuslaboratorion toimintaan ollaan tekemässä mahdollisesti mittaviakin muutoksia, joilla voi olla merkitystä niin opiskelijoiden oppimistuloksiin kuin uusien motivoituneiden kemian opiskelijoiden saamiseen laitokselle. Lyhyellä aikavälillä näkyvin muutos on fysiikan laitoksen kanssa toteutettava Luonnontiedeluokan avaaminen opetuslaboratorioon: jatkossa luokka toimii mallilaboratoriona laitoksella vieraileville koululaisryhmille, joille ollaan myös valmistelemassa ns. mobiililaboratoriota. Mobiililabraan liittyvä ensimmäinen opettajalinjalaisen erikoistyö on juuri valmistumassa ja työn tuloksia tullaan testaamaan myöhemmin pilottihankkeessa alueen koulujen kanssa. Tämä on hyvä esimerkki siitä, millaisia uusia avauksia kemia tarvitsee omaa näkyvyyttään parantaakseen ja toisaalta palvellakseen paremmin lähialueen kemian opettajien mahdollista tarvetta saada näyttää omille opiskelijoilleen mitä on kemian tutkimus yliopistossa. Muutosta ei kannata tehdä pelkästään muutoksen vuoksi. Jos näin menetellään, niin tullaan noin vuoden välein uusimaan kertaalleen tai kahdesti tehdyt virheet: ainahan voidaan palata siihen mistä joskus lähdettiin ja sitten lähdetään taas kovalla rytinällä kohti uusia pettymyksiä. Eikö olisi paljon mukavampaa olla vaan tekemättä yhtään mitään? Toki, jos kuppi on jo valmiiksi puoliksi tyhjä ja pyörä pyörii jo entuudestaan väärään suuntaan ja töihin tullessakin on aina vastatuuli. Mutta jos nyt kuitenkin lähdetään siitä, että positiivisen ajattelun ja tieteellisesti korkealaatuisten henkilökohtaisten ratkaisujen kautta meidän jokaisen on mahdollista rakentaa kemian laitoksesta entistä dynaamisempi ja innostavampi työ- ja koulutuspaikka. Sillai kai. 9

14 Kemian kevät 2015 Ohjelma Tiistai Tapahtuman avaus ja esimakua FM-erikoistöistä (Arc1) Laitoksen johtaja Juha-Pekka Salminen FM-erikoistyöntekijät: Laura Hauta, Annika Lehtimäki, Reetta Ylöstalo, Juho Jaakkola, Olli Moisio, Salla Lahdenpohja, Hannu Grönberg, Ilkka Palmunen, Timo Parviainen, Isabella Norrbo FM-erikoistyöntekijät ja väitöskirjatyöntekijät Posterisessio I (Arc ala-aula) Kemian opinnot: mitä, miten, missä ja miksi (Arc1) Varsinais-Suomen alueen opinto-ohjaajille suunnattu tilaisuus Keskiviikko Luonnonyhdistekemia I (Arc1) 9.00 Plenaariluento Kasvien puolustusyhdisteiden kemia: uusia menetelmiä ja käyttötarkoituksia bioaktiivisiksi osoitetuille yhdisteille ja yhdisteryhmille Prof. Juha-Pekka Salminen 9.30 LuK -esitelmä Antosyaanit ovat enemmän kuin karbokationeja Henna Koivikko 9.45 LuK -esitelmä Oligomeeristen ellagitanniinien rakenteellinen monimuotoisuus Juuso Laitila LuK -esitelmä Antosyaanianalytiikkaan liittyvät ongelmat ja niiden ratkaisut Marianna Manninen Luonnonyhdistekemia II (Arc1) LuK -esitelmä 2D-LC-ABTS-menetelmän käyttö fenolisten antioksidanttien analytiikassa Karoliina Mäkinen LuK -esitelmä Kapsaisinoidien erilaiset uuttomenetelmät Saara Nenonen LuK -esitelmä Granaattiomenan polyfenolien sormenjälkiprofilointi UHPLC-MS n - tekniikalla Marko Pakanen LuK -esitelmä Granaattiomenan ellagitanniinit sekä niiden mahdolliset syöpää estävät ominaisuudet Juha Pekkala LuK -esitelmä Hydrolysoituvien tanniinien vesiliukoisuus ja hydrofobiset vuorovaikutukset Heikki Saine Luonnonyhdistekemia III (Arc1) FM -esitelmä Hydrolysoituvat tanniinit- biosynteesipolulta spektri- ja menetelmäkirjastoksi Laura Hauta FM esitelmä Proantosyanidiinien metabolia lampaissa: kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen analyysi Annika Lehtimäki FM esitelmä Tanniinien kemialliset ominaisuudet ja niiden mittausmenetelmiä Reetta Ylöstalo Yritysmaailman puheenvuoro Tero Parkatti (Bayer Oy): Bayer Science For A Better Life Ville Nieminen (Raisio Oyj): Prosessikemistin arkea Posterisessio II (Arc ala-aula) 10

15 Kemian kevät 2015 Ohjelma Torstai Bio-orgaaninen kemia I (Arc1) 9.00 Plenaariluento Biomolekyylien kemiaa Prof. Harri Lönnberg 9.30 LuK -esitelmä Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö Asmo Aro-Heinilä 9.45 LuK -esitelmä MikroRNA biologisen säätelyn ja havainnoinnin kohteena Antti Äärelä Bio-orgaaninen kemia II + Radiokemia (Arc1) FM -esitelmä UDP-riboosin ja UDP-fruktoosin pilkkoutuminen metabolisissa prosesseissa Juho Jaakkola FM -esitelmä DNA-pohjainen asymmetrinen hybridikatalyysi Diels-Alder reaktiossa Olli Moisio FM -esitelmä Selectfluor-prekursorin valmistus ja [18F]selectfluorin radioanalyyttisten menetelmien kehitys Salla Lahdenpohja Toiminnalliset materiaalit (Arc1) Plenaariluento Funktionaalisia materiaaleja ja ohuita kalvoja : Molekyylien kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien käyttöä ihmisen parhaaksi Eli mitä on materiaalikemia Prof. Jukka Lukkari FM esitelmä Kerros-kerrokselta kootut ohutkalvot ja luminesoivat kalvosensorit Hannu Grönberg FM esitelmä Sähköä johtavat komposiitit: kalsiumkarbonaatin päällystäminen johdepolymeereillä Ilkka Palmunen FM esitelmä Hyvälaatuisten ohutkalvojen kasvatus grafeenioksidilla ja polyelektrolyyteillä ultraääninebulisaation avulla Timo Parviainen Epäorgaaninen materiaalikemia (Arc1) Plenaariluento Epäorgaanista materiaalikemiaa Dos. Mika Lastusaari LuK esitelmä Siirtymämetalli-ionien komplekseja nelihampaisten aminobisfenoliligandien kanssa Ville Eskonen LuK -esitelmä Upkonvertoivat nanopartikkelit biologisessa kuvantamisessa Jaakko Oksa FM -esitelmä Rakenteen vaikutus sodaliitin tenebresenssiin ja luminesenssiin Isabella Norrbo Iltajuhla (Arc aula) 11

16 Kemian kevät 2015 Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit 8 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja 3 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja 6 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja sekä Laitekeskuksesta 1 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja 12

17 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät KASVIEN PUOLUSTUSYHDISTEIDEN KEMIA: UUSIA MENETELMIÄ JA KÄYTTÖTARKOITUKSIA BIOAKTIIVISIKSI OSOITETUILLLE YHDISTEILLE JA YHDISTERYHMILLE Prof. Juha-Pekka Salminen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto s-posti: Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmän (Natural Chemistry Research Group, naturalchemistry.utu.fi) aktiviteetti kohdistuu luonnonyhdisteiden, etenkin polyfenolien kemiaan. Tutkimuksemme avulla löydämme luonnosta uusia molekyylejä tai luomme entistä tehokkaampia menetelmiä, joiden avulla muidenkin tutkimusryhmien on mahdollista kvantitoida poikkeuksellisen hankalan rakenteen omaavia polyfenoleja tai määrittää niistä aiheutuvaa bioaktiivisuutta. Samalla opimme paremmin ymmärtämään miten erilaiset puolustusyhdisteet ovat jakautuneet kasvikunnassa ja mitkä ovat aktiivisuudeltaan parhaimmat kasviheimot, -suvut ja -lajit. Loppusovelluksina tutkimustoimintamme voi johtaa esimerkiksi sellaisten kasvilajien tai lajikkeiden jalostamiseen, joilla voidaan pyrkiä korvaamaan märehtijöiden synteettisiä loislääkkeitä ja samalla hillitä märehtijöiden tuottamia kasvihuonekaasupäästöjä. Kaikki tämä vaatii laajaa analyyttis-orgaanisten ja fysikaalis-orgaanisten analyysimenetelmien hallintaa. Tätä kautta opiskelijat paneutuvat myös kemistin työelämän kannalta relevantteihin menetelmiin, mistä on heille hyötyä myöhemmin työelämässä. Aktiivisten ja inaktiivisten molekyylien seulominen kasvikunnasta Kasvien puolustusyhdistekoostumus on täysin lajikohtainen, vaikka samoja yhdisteitä voi esiintyä useammassa eri lajissa. Yhden lajin yhdistekirjo kattaa kymmeniä tai satoja erilaisia luonnonyhdisteitä, jotta kyseinen laji olisi mahdollisimman hyvin varustautunut erilaisten puolustusmekanismien kautta monenlaisia kasvinsyöjiä ja taudinaiheuttajia vastaan. Esimerkiksi tietynlaiset tanniinirakenteet vaikuttavat hyönteistoukkiin hapettavaa stressiä aiheuttamalla, kun taas hieman erilaisen rakenteen omaavat tanniinit vaikuttavat hirviin ja peuroihin tanniinien proteiiniaffiniteetista aiheutuvan epämiellyttävän maun tai muunlaisen limakalvotuntemuksen kautta. Nämä samat molekyylit voivat toisaalta toimia ihmisellä rintasyöpää ehkäisevästi tai märehtijöillä loiskuormaa vähentävästi. Bioaktiivisuuden kannalta onkin tyypillistä, että yksi yhdiste voi olosuhteista riippuen olla aktiivinen joko usean tai vain yhden aktiivisuusmekanismin kautta. Jos tietynlaisen aktiivisuuden ja luonnonyhdisteiden rakenteiden välinen yhteys tunnetaan, on mahdollista selvittää missä kasvilajissa esiintyy suurin konsentraatio aktiivisiksi luokiteltavia molekyylejä. Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmässä tutkitaan tällä hetkellä muun muassa (1) mikä polyfenolien rakenteessa aiheuttaa niiden pro-oksidanttiaktiivisuuden entsymaattisen hapettumisen tai auto-oksidaation kautta, (2) miten pro-oksidanttiaktiivisuutta omaavat molekyylit ovat jakaantuneet kasvikunnassa ja (3) miten aktiivisten molekyylien evoluutio on mahdollisesti edennyt kasvilajien evoluution mukana. Globaalisti kattavan kokonaiskuvan saavuttamiseksi tutkimuskohteiksi on valittu yli 2500 kasvilajia viideltä eri mantereelta. 13

18 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Potentiaalisia pro-oksidantteja seulotaan kasvikunnasta ultrakorkean erotuskyvyn omaavan nestekromatografian, UVspektroskopian ja massaspektrometrian (UPLC- DAD-MS/MS) avulla sekä tutkimalla eri kasvilajien polyfenolikoostumusta ennen hapetusreaktioita ja niiden jälkeen. Näin jokaisesta tutkitusta kasvilajista on mahdollista nimetä ne yksittäiset polyfenolimolekyylit, jotka ovat joko potentiaalisesti aktiivisia prooksidantteja tai vastaavasti täysin inaktiivisia. Kuva 1 näyttää miten lupiinin flavonoidiglykosidit ovat melko inaktiivisia korkeassa ph:ssa tapahtuvassa autooksidaatiossa, kun taas osa samoista yhdisteistä hapettuu tehokkaasti lupiinille spesifisten entsyymien vaikutuksesta. Toistaiseksi ei ole tietoa siitä, noudattaako aktiivisten ja inaktiivisten yhdisteiden jakauma kasvikunnassa kasviheimojen, sukujen, ja lajien evolutiivisia suhteita (kuva 2), mutta luonnonyhdistekemian tutkimustyö pyrkii tuomaan valoa myös tähän kysymykseen. Johanna Moilasen, Anu Tuomisen ja Jorma Kimin väitöskirjatyöt (s. 40, 44 ja 30) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen. Kasvitanniinien positiivisten ympäristövaikutusten mekanismien ymmärtäminen Kasvien tuottamia puolustusyhdisteitä on mahdollista hyödyntää monin tavoin. Yksi tavallisimmista käyttötarkoituksista on ihmisterveyden edistäminen, koska yli puolet länsimaissa nykyään käytetyistä lääkkeistä sisältää vähintään yhtenä vaikuttavana aineena tai sen osana kasveista alun perin eristettyä yhdistettä. Paljon harvemmin tullaan ajatelleeksi, että näitä samoja yhdisteitä voidaan hyödyntää myös kotieläinten, karjan ja edelleen ympäristön tilan kohentamiseksi. On selvää, että märehtijöiden avulla tuotettu eläinproteiini kuormittaa ympäristöä enemmän kuin esimerkiksi siipikarjan avulla tuotettu proteiini. Tässä märehtijäperäisessä ympäristökuormituksessa on kolme osa-aluetta, joihin voidaan vaikuttaa oikeilla, erityisesti kasvitanniineja sisältävillä rehuvalinnoilla: (1) Märehtimisprosessi tuottaa runsaasti metaanipäästöjä, jopa 140 kg lypsylehmää kohden vuodessa. (2) Märehtijät käyttävät kasviperäisen proteiinin tehottomasti hyödykseen, jolloin märehtimisestä karkaava typpi erittyy virtsaan ja voi muuttua luonnossa edelleen typpioksiduuliksi, joka on 200 kertaa hiilidioksidia tehokkaampi kasvihuonekaasu. (3) Märehtijöiden terveyden ja ruuantuotantokyvyn ylläpito vaatii synteettisten loislääkkeiden käyttöä, joita vastaan monille loisille on kehittymässä maailmanlaajuinen resistenssi. Tämä saattaa ensi vaiheessa kasvattaa lääkkeiden annoskokoa, jolloin synteettisten kemikaalien päästöt ympäristöön kasvavat samoin kuin lääkejäämien esiintymisen todennäköisyys ihmisravinnossa. Absorbanssi (au) 5e+5 4e+5 3e+5 2e+5 1e+5 0 5e+5 4e+5 3e+5 2e+5 1e+5 0 5e+5 4e+5 3e+5 2e+5 1e+5 0 Lupiini lähtötilanne Lupiini ph10-hapetus Lupiini entsyymihapetus Retentioaika (min) Kuva 1. Lupiinin flavonoidiglykosidien UPLC-sormenjälki ennen hapetusta, ph 10- hapetuksen ja entsymaattisen hapetuksen jälkeen. 14

19 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Kuva 2. Suomessa esiintyvien kasviheimojen fylogeneettiset suhteet, josta voidaan päätellä kuinka läheistä tai kaukaista sukua heimot ovat toisilleen. Heimon nimen perään on merkitty heimossa esiintyvien sukujen ja edelleen lajien arvioitu lukumäärä Suomessa. Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä selvittää parhaillaan, millaisten tanniinirakenteiden avulla olisi mahdollista kaikkein tehokkaimmin puuttua yllä kuvattuihin kolmeen epäkohtaan luontaisin keinoin. On todennäköistä, että jokaisen epäkohdan tehokas korjaaminen vaatii tanniini-proteiini vuorovaikutusten yksityiskohtaista ymmärtämistä ja että eri ongelmien ratkaisuun vaaditaan erilaisen kemiallisen ominaisuuden omaavia tanniinirakenteita. Tämän vuoksi tutkimusongelmaa lähestytään neljän osa-alueen kautta. (1) Valitaan kasveista mahdollisimman laajan rakenteellisen kirjon omaavia ellagitanniinirakenteita ja puhdistetaan ne mg skaalassa semipreparatiivisella LC-tekniikalla. (2) Selvitetään puhdistettujen molekyylien affiniteetti, sitoutumisen stoikiometria ja spesifisyys kahteen erilaiseen proteiiniin isotermisen titrauskalorimetrian avulla. (3) Mitataan puhdasaineiden kyky alentaa metanogeenibakteerien tuottamia metaanipäästöjä nautaeläinten pötsistä. (4) Selvitetään mikä tanniinien rakenteessa tehokkaimmin inaktivoi märehtijöiden loisten kolmea eri kehitysvaihetta. Alustavien tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että tanniinien avulla on mahdollista alentaa märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjä ja loiskuormaa selvästi yli 50 %. Kun kasvitanniinien positiivisten ympäristövaikutusten mekanismit ymmärretään 15

20 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät paremmin osa-alue osa-alueelta, on mahdollista selvittää, millaisia tanniineja sisältävät kasvit muodostaisivat energiatehokkaimman ja samalla myös ympäristöystävällisimmän tavan ruokkia maidon ja lihan tuotannossa maailmanlaajuisesti käytettäviä märehtijöitä. Annika Lehtimäen ja Reetta Ylöstalon (s. 30 ja 32) erikoistyöt ja Nicolas Baertin ja Marica Engströmin väitöskirjatyöt (s. 34 ja 36) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen. Tuntemattomien molekyylien rakenteen selvittäminen bioaktiivisuuden mekanismien ymmärtämiseksi Aiemmin tutkimattoman bioaktiivisuuden mekanismien ymmärtämiseksi on yhtä tärkeää pystyä spesifisesti tunnistamaan kyseisen aktiivisuuden kannalta niin aktiiviset kuin inaktiivisetkin molekyylit. Vasta tämän vaiheen jälkeen voidaan edetä rakenteen ja aktiivisuuden välillä vallitsevan yhteyden selvittämiseen. Luonnonyhdistekemian ryhmän kehittämät UPLC-DAD-MS/MS analyysimenetelmät mahdollistavat useimpien polyfenoliryhmien puoliautomaattisen detektoinnin tuntemattomistakin kasvilajeista. Massaspektrometrisen molekyylipainon määrityksen kautta voidaan edetä polyfenoliryhmän sisällä yksittäisten yhdisteiden alustavaan rakenneanalyysin. Spesifinen rakenteen määritys vaatii kuitenkin erilaisten NMR- ja joissain tilanteissa myös CDspektroskooppisten menetelmien hyväksikäyttöä (kuva 3). Näitä puhdasainemenetelmiä varten pitää hallita myös semi-preparatiivisen tai preparatiivisen nestekromatografian kautta tapahtuva molekyylien puhdistaminen. Tätä vaihetta hankaloittaa kasvien maine loistavina kemisteinä: yksi molekyyli pitää pystyä eristämään kymmenien tai satojen vastaavien joukosta, jotta NMR-analyysi ja sitä kautta bioaktiivisuuden syiden selvittäminen mahdollistuisi. Jussi Suvannon, Anu Tuomisen ja Johanna Moilasen väitöskirjatyöt (s. 42, 44 ja 40) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen. ppm ppm Kuva 3. Ellagitanniinin kaksidimensioinen HSQC NMR-spektri, joka paljastaa yhdisteen vety- ja hiiliatomien välisen sitoutumisen sekä sitoutuneiden vetyjen lukumäärän

21 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Bioaktiivisten yhdisteiden molekyylispesifinen kvantitointi parhaalla mahdollisella analyysimenetelmällä Kun on päästy selvyyteen siitä, minkälaiset luonnonyhdisteet ovat tehokkaimpia kasvien puolustusyhdisteinä tai märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentäjinä tai mitkä ovat jollain muulla tavalla tiedemaailmaa kiinnostavia, on tarpeen selvittää mitkä kasvilajit tuottavat suuria pitoisuuksia juuri näitä molekyylejä. Tähän tavoitteeseen ei päästä ilman tehokkaita ja molekyylispesifisiä kvantitointimenetelmiä. Parhaimmillaan tällaiset menetelmät yhdistävät nopean UPLC-kromatografian massaspektrometrisen MRM-kvantitointitekniikan (Multiple Reaction Monitoring) kanssa. Laura Haudan erikoistyö (s. 28) liittyy tähän tutkimuskokonaisuuteen. Luonnonyhdistekemian UPLC-DAD-MS/MS laitteisto ja sen MRM-teknologia mahdollistavat jopa 250 yhdisteen molekyylispesifisen kvantitoinnin per analyysiminuutti. Viiden minuutin UPLCanalyysin aikana on siis teoreettisesti mahdollista detektoida ja kvantitoida yli tuhat orgaanista molekyyliä sillä edellytyksellä, että ne kaikki ovat tasaisesti jakautuneet koko UPLC-analyysin retentioaika-alueelle. Käytännössä tilanne ei kasvinäytteiden kohdalla luonnollisestikaan ole näin ideaalinen, vaan on tyydyttävä esimerkiksi tehokkaimman puolustusyhdisteen tai loislääketanniinin pitoisuuden määrittämiseen per analyysi, mikäli halutaan selvittää miten niitä esiintyy kasvikunnassa. Kuvasta 4 nähdään, miten molekyylispesifinen MRM-tekniikka on toiminut käytännössä mansikan 36 bioaktiivisen polyfenolin kvantitoinnissa. Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmään kesän 2015 kuluessa hankittava uusi UPLC-DAD- ESI-Orbitrap-MS laitteisto tulee mahdollistamaan entistä innovatiivisempien erittäin korkeaa MSresoluutiota hyödyntävien analyysimenetelmien kehittämisen niin luonnonyhdisteille kuin muillekin orgaanisille molekyyleille. Nämä menetelmät tulevat uudistamaan tavan, jolla kasvikunnasta jatkossa etsitään ja tunnistetaan bioaktiivisuudeltaan potentiaalisia makromolekyylejä, joita voidaan käyttää lisäämään esimerkiksi Suomessa rehuteollisuuden tuotteiden aktiivisuutta ja ympäristöystävällisyyttä. 3e+7 3e+7 2e+7 Intensity 2e+7 1e+7 5e Retentioaika (min) Kuva 4. Esimerkki mansikan polyfenolien kvantitoinnista molekyylispesifisillä MRMmenetelmillä. 17

22 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Lisätietoja saatavissa luonnonyhdistekemian tutkimusryhmän nettisivujen kautta: naturalchemistry.utu.fi Rakennamme ryhmän nettisivuja koko ajan informatiivisemmiksi (kuva 5). Tavoitteena on saada sivut toimimaan tutkimuksellisena ja opetuksellisena alustana, jota kautta on mahdollista jakaa tietoa (1) kasvikunnan polyfenolikoostumuksesta ja polyfenoleista johtuvasta bioaktiivisuudesta (kasvitietokanta), (2) polyfenolien rakenteesta ja rakenteen tunnistamista helpottavista yhdisteiden kemiallisista ominaisuuksista (yhdistetietokanta) ja (3) polyfenolien korkealuokkaisista analyysimenetelmistä (menetelmätietokanta). Näin ryhmän tutkijoiden ja opiskelijoiden työpanos on suoraan muun tiedeyhteisön hyödynnettävissä, kun se ensin on julkaistu arvostetuissa tiedelehdissä. Kuva 5. Näkymä luonnonyhdistekemian nettisivuilta, joiden kautta löydät lisätietoa ryhmän uutisista, tutkimuksesta, ihmisistä, projekteista, julkaisuista ja mediaklipeistä. 18

23 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat ANTOSYAANIT OVAT ENEMMÄN KUIN KARBOKATIONEJA Henna Koivikko Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Antosyaanit ovat kasveissa esiintyviä väriaineita, jotka vastaavat lehdissä, kukissa, marjoissa ja hedelmissä olevista punaisen, violetin ja sinisen sävyistä. Ne suojelevat kasvia liialliselta auringonvalolta absorboimalla näkyvää valoa sekä toimivat eläinten ja pölyttäjähyönteisten houkuttimina. Antosyaanien ilmentämä väri on kuitenkin hyvin herkkä ph:n vaihtelulle. Karbokationimuoto, jossa antosyaanien rakennekaavat tavallisesti esitetään, on todellisuudessa pysyvä ainoastaan hyvin happamissa olosuhteissa. Tämä flavylium-kationiksi kutsuttu, tavallisesti punaisen sävyinen molekyyli reagoi helposti värittömiksi yhdisteiksi neutraaleissa ja heikosti happamissa olosuhteissa. Antosyaanien ph-riippuvainen reaktioketju [1-3] on esitetty alla (kaavio 1). Reaktioketju on tärkeä värin kannalta, sillä ainoastaan kinonimuoto ja flavylium-kationi ovat voimakkaan värisiä. Kinonimuodon konsentraatio kasvaa, kun ph:ta nostetaan; flavylium-kationin puolestaan pienenee. Heikosti happamissa olosuhteissa termodynaamisesti pysyvimpiä ovat kuitenkin värittömät muodot, jolloin tasapainon muodostuessa antosyaanien väri vähitellen katoaa liuoksesta. Kasveilla täytyy siis olla jokin keino, jonka avulla antosyaanien värit voivat säilyä kasveissa muuttumattomina, sillä myös luonnossa antosyaanit sijaitsevat tavallisesti veden ympäröiminä, heikosti happamissa tai neutraaleissa olosuhteissa kasvisolujen solunesterakkuloissa. Myös punaviinien antosyaanit muuttavat väriään viinin vanhetessa. Tämän värinmuutoksen mekanismit ovat kiinnostaneet monia tutkijoita [3]. Kaavio 1. Antosyaanien ph-riippuvainen reaktioketju [1-3]. Gly = sokeriosa, R 1 ja R 2 = H, OH tai OCH 3. Viitteet 1. Brouillard, R., Dubois, J.-E., J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, Brouillard, R., Lang, J., Can. J. Chem. 1990, 68, Pina, F., Olivera, J., de Freitas, V., Tetrahedron 2015, painossa, DOI /j.tet

24 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat OLIGOMEERISTEN ELLAGITANNIINIEN RAKENTEELLINEN MONIMUOTOISUUS Juuso Laitila Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Ellagitanniinit ovat hydrolysoituviin tanniineihin kuuluvia kasvien polyfenolisia sekundäärimetaboliitteja. Ellagitanniinit muodostuvat yleensä pentagalloyyliglukoosista molekyylin sisäisen oksidatiivisen kytkeytymisen kautta, jossa yksinkertaisimmillaan kahdesta galloyyliryhmästä muodostuu heksahydroksidifenoyyliryhmä (HHDP). Oligomeeriset ellagitanniinit muodostuvat puolestaan molekyylien välisen oksidatiivisen kytkeytymisen kautta, jolloin voi syntyä jopa 11 monomeeristä koostuvia oligomeerejä [1]. Ellagitanniinit ovat rakenteellisesti monipuolisin tanniiniryhmä ja kaikkiaan yli 500 erilaista ellagitanniinia on karakterisoitu. Kaikista karakterisoiduista ellagitanniineista yli puolet ovat rakenteeltaan oligomeerisiä ja juuri oligomeerisillä ellagitanniineilla on usein esimerkiksi sellaisia farmakologisia ominaisuuksia, joita ei ole monomeerisillä ellagitanniineilla tai muilla tanniineilla lainkaan [2]. Tässä tutkielmassa perehdytään oligomeeristen ellagitanniinien ryhmittelyyn monomeerien välissä olevien sidosryhmien avulla. Lisäksi käydään yksityiskohtaisesti läpi erilaisten oligomeerien rakenteita ulottuen ensimmäisestä karakterisoidusta oligomeeristä (kuva 1) aina modernien kromatografisten ja spektrometristen menetelmien mahdollistamiin löytöihin. Kuva 1. Ensimmäinen eristetty ja karakterisoitu oligomeerinen ellagitanniini, agrimoniini. Vihreällä on esitetty ellagitanniineille ominainen HHDP-ryhmä ja ruskealla eräs yleinen oligomeerien sidosryhmä, dehydrodigalloyyliryhmä. Viitteet 1. Salminen, J-P., Karonen, M. ja Sinkkonen, J., Chem. Eur. J. 2011, 17 (10), Quideau, S., Chemistry and Biology of Ellagitannins, World Scientific, Singapore,

25 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat ANTOSYAANIANALYTIIKKAAN LIITTYVÄT ONGELMAT JA NIIDEN RATKAISUT Marianna Manninen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Antosyaanit ovat kasveissa, hedelmissä ja marjoissa esiintyviä punaisia, sinisiä ja violetteja väriaineita. Kuten muitakin flavonoideja, myös antosyaaneja pidetään terveysvaikutteisina. Lisäksi niitä käytetään ruoassa väriaineina, jotka tunnistaa E-koodista E163. Antosyaanien analysoimisessa tehokas yhdistelmä on käänteisfaasinestekromatografia yhdistettynä diodirividetektoriin (reversedphase high-performance liquid chromatography with diode array detection, RP-HPLC-DAD). Siinä antosyaanit erotetaan toisistaan nestekromatografisesti käänteisfaasikolonnilla ja detektoidaan spektrofotometrisesti. Eräs menetelmän suurimmista eduista on se, että näytteen sisältämät antosyaanit voidaan tunnistaa ilman erillistä eristämistä ennen analysointia. Antosyaanianalytiikasta haastavan tekee se, että antosyaanien aglykonit, antosyanidiinit muuttavat rakennettaan ja samalla väriään ph:n mukaan [1]. Paras ratkaisu ongelmaan on siirtää antosyaanien rakennetasapaino kohti punaista flavylium-ionia (kuva 1). Samalla antosyaanien detektointi spektrofotometrisesti helpottuu, sillä flavylium-ioni absorboi valoa aallonpituudella 520 nm, toisin kuin muut uutteessa mahdollisesti olevat fenoliset yhdisteet ja flavonoidit. Käytännössä tasapainon siirtäminen tapahtuu siten, että liikkuvan faasin ph säädetään alle antosyaanin protonin siirtoreaktion pk-arvon, joka tyypillisesti on noin kaksi. Lisäksi itse uute voidaan happamoida ennen injektointia. Käänteisfaasikromatografiassa yhdisteiden erottuminen perustuu niiden polaarisuuteen. Kun analysoitavana on seos polaarisuudeltaan samanlaisia antosyaaneja, on yhdisteiden erottaminen hankalaa. Siksi liikkuva faasi koostuu usein kahdesta eluentista. Liikkuvan faasin koostumusta muutetaan analyysin aikana siten, että orgaanisen eluentin osuus kasvaa analyysin edetessä. Laitteisto ja käytetyt liuottimet voivat kuitenkin vaikuttaa erottumiseen ja UV-spektreihin, minkä vuoksi on hyvä käyttää vertailunäytteitä uuden menetelmän optimoimiseksi. Esimerkiksi punaviiniä on käytetty tähän tarkoitukseen [2]. Kuva 1. Flavylium-ionin rakenne luonnossa yleisimmin esiintyville antosyanidiineille. R 1 ja R 2 voivat olla H, OH tai OCH 3. Viitteet 1. Santos-Buelga, C., García-Viguera, C., Tomás-Barberán, F. A. Kirjassa Methods in Polyphenol Analysis, Santos-Buelga, C. ja Williamson, G., Toim., The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2003, s Berente, B., Reichenbächer, M. ja Danzer, K., Fresen J. Anal. Chem. 2001, 371,

26 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat 2D-LC-ABTS-MENETELMÄN KÄYTTÖ FENOLISTEN ANTIOKSIDANTTIEN ANALYTIIKASSA Karoliina Mäkinen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Fenoliset yhdisteet ovat kasvien yleisin sekundaarimetaboliittiryhmä. Niitä löytyy lähes kaikista kasvilajeista ja niiden pitoisuudet voivat olla jopa 30 % kasvin kuivapainosta. Useat fenoliset yhdisteet ovat antioksidatiivisesti aktiivisia eli ne kykenevät sitomaan vapaita radikaaleja ja estämään niiden jatkoreagointia. Fenolisten antioksidanttien analytiikka on usein hankalaa, koska tutkittavat näytteet ovat yhdistekoostumukseltaan monimutkaisia. Esimerkiksi kaakaossa ja viinirypäleissä esiintyy prosyanidiineja monissa eri polymerisaatioasteissa, vihreässä teessä puolestaan on pienemmän molekyylipainon proantosyanidiineja sekä flavanoleja ja fenolisia happoja [1]. Näiden kasvinäytteiden analysointiin on kehitetty menetelmä, jolla voidaan määrittää fenolisten yhdisteiden koostumus sekä niiden 2,2'-atsino-bis-(3-etyylibentsotiatsoliini-6-sulfonihappo) (ABTS) -radikaalinsieppausaktiivisuus. Kaksiulotteinen nestekromatografia, johon on yhdistetty ABTS-radikaalinsieppausmenetelmä, on todettu tehokkaaksi menetelmäksi antioksidatiivisen aktiivisuuden määrittämiseksi yksittäisille fenolisille yhdisteille. Hydrofiiliseen vuorovaikutukseen perustuvan kromatografian (HILIC) ja käänteisfaasinestekromatografian (RP-LC) yhdistelmällä saadaan paljon parempia tuloksia kuin voidaan saada yhden kolonnin systeemillä. HILIC erottaa yhdisteet polaarisuuden mukaan ja RP-LC hydrofobisuuden. Kun nämä yhdistetään ABTShuuhteluun, saadaan tarkka menetelmä antioksidanttien määrittämiseen. Kaksiulotteisella menetelmällä saadaan todennäköisemmin selkeitä ja tulkittavia kromatogrammipiikkejä kuin käytettäessä vain yhtä kolonnia. [1] Kuva 1. Työssä käytetty 2D-LC-ABTS-laitteisto [1]. HILIC eli hydrofiiliseen vuorovaikutukseen perustuva kromatografia ja RP eli käänteisfaasikromatografia ovat tehokas yhdistelmä ABTShuuhtelun kanssa fenolisten antioksidanttien analysointiin. Viitteet 1. Kalili, K.M., De Smet, S., van Hoeylandt, T., Lynen, F. ja de Villiers, A., Anal Bioanal Chem. 2014, 406,

27 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat KAPSAISINOIDIEN ERILAISET UUTTOMENETELMÄT Saara Nenonen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Kapsaisinoidit ovat chilin tulisuuden aiheuttava alkaloidiryhmä [1]. Luonnosta löytyviä kapsaisinoideja ovat kapsaisiini, dihydrokapsaisiini, nordihydrokapsaisiini, homokapsaisiini ja homodihydrokapsaisiini (kuva 1), joista kapsaisiini ja dihydrokapsaisiini aiheuttavat 90 % chilien tulisuudesta [2]. Kapsaisinoidien tulisuuserot johtuvat niiden kyvyistä edistää membraanin depolarisaatiota sitoutumalla vanilloidireseptoriin [3]. Ne ovat lääketieteellisesti aktiivisia ja kipua tuottavia komponentteja [4], joilla on todettu positiivisia neurologisia ja ravitsemustieteellisiä vaikutuksia. Ne vaikuttavat esimerkiksi ääri- ja keskuslämpötunnistimiin [5] ja keuhkovaltimoihin [6] sekä alifaattisten aineiden ja hiilihydraattien metaboliaan [4]. Tässä tutkielmassa esitellään erilaisia menetelmiä uuttaa kapsaisinoidit, ja etenkin kapsaisiini ja dihydrokapsaisiini, chilistä. Menetelmiä ja niillä saatuja tuloksia kapsaisinoidipitoisuudelle vertaillaan keskenään. Vanhempia käsiteltyjä menetelmiä ovat refluksointi ja ravistelu uuttoliuottimina erilaisia orgaanisia liuottimia, kuten asetoni ja metanoli. Uudempia menetelmiä ovat ohutkerroskromatografia-avusteinen uutto, mikroaaltoavusteinen uutto ja ylikriittinen uutto sekä uutto käyttäen butyylikloridia uuttoliuottimena. Kuva 1. Kapsaisinoidien rakenteet Viitteet 1. Govindarajan, S. V., CRC Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 1985, 22, Perucka, I. ja Oleszek, W., Food Chem. 2000, 71, Reilly, C. A., Crouch, D. J. ja Yost, G. S., J. Forensic Sci. 2001, 46, Govindarajan, V. S. ja Sathyanarayana, M. N., Food Sci. Nutr. 1991, 29, Jancsó-Gábor, A., Szolcsányi, J. ja Jancsó, N., J. Physiol. 1970, 208, Pórszasz, J., Such, G. ja Pórszasz-Gibiszer, K., Acta Physiol. Acad. Sci. Hung. 1957, 12,

28 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat GRANAATTIOMENAN POLYFENOLIEN SORMENJÄLKIPROFILOINTI UHPLC-MS n - TEKNIIKALLA Marko Pakanen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto mavapa@utu.fi Jo muinaisista ajoista lähtien lääkekasvinakin käytetyllä granaattiomenalla (Punica granatum) on sen (poly)fenolirikkaan koostumuksen ansiosta lukuisia terveysvaikutuksia. Näihin lukeutuvat muun muassa antioksidatiivisuus, anti-inflammatorisuus sekä syöpää, mikrobeja, diabetesta ja mutageenisuutta mahdollisesti ehkäisevä vaikutus [1]. Kuluttajien tietoisuuden kasvaessa näistä terveysvaikutuksista on granaattiomenan ja etenkin siitä valmistettujen mehujen suosio ollut kasvussa jo useiden vuosien ajan [2]. Granaattiomenan yhdistekoostumus voi kuitenkin vaihdella, paitsi eri lajikkeiden välillä, myös ympäristötekijöiden ja erilaisten keräys-, kuljetus- ja valmistusmenetelmien vaikutuksesta. Perinteisillä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaan perustuvilla menetelmillä pystytään havaitsemaan vain pieniä yhdistejoukkoja kerrallaan ja yksittäisten näytteiden valmistamiseen ja analysoimiseen kuluva aika on usein epäkäytännöllisen pitkä suurille näytemäärille. [2,3] Ratkaisuksi tähän on kehitetty UHPLC-MS (ultra high-performance liquid chromatographymass spectrometry, ultra-korkean erotuskyvyn nestekromatografia-massaspektrometria) käyttöön perustuva menetelmä, jolla on pystytty havaitsemaan granaattiomenamehunäytteistä jopa 75 erilaista yhdistettä. Menetelmässä käytetään kahta eri negatiivistä H-ESI-ionisaatiota (heated electrospray ionization, lämmitetty sähkösumutusionisaatio). Ensimmäisessä on käytössä flavonoideille ja muille pienille fenolisille yhdisteille optimoidut olosuhteet ja toisessa raskaammille ellagitanniineille optimoidut olosuhteet. Lisäksi menetelmään kuuluu kolmas positiivista H-ESI-ionisaatiota käyttävä analyysi, jolla havaitaan antosyaanit. Lineaarisen ioniloukun avulla suoritetaan täysskannauksen lisäksi MS 2 - ja MS 3 -mittaukset yhdisteiden tunnistamiseksi [3]. Näytteiden valmistaminen on helppoa ja nopeaa, eikä vaikuta tutkittavien yhdisteiden rakenteeseen. Kromatografinen erottuminen on nopeaa, kvalitatiivinen aineisto on laaja ja tulokset voidaan käsitellä kemometrisesti automaattisilla tietokoneohjelmilla, minkä ansiosta menetelmä voisi soveltua käytettäväksi muun muassa granaattiomenan laadunvalvonnassa ja jalostuksessa [2]. Viitteet 1. Ito, H., Peng Li, P., Koreishi, M., Nagatomo, A., Nishida, N. ja Yoshida, T. Food Chem. 2014, 152, Calani, L., Beghe, D., Mena, P., Del Rio, D., Bruni, R., Fabbri, A., Dall Asta, C. ja Galaverna, G. J. Agric. Food Chem. 2013, 61, Mena, P., Calani, L., Dall Asta, C., Galaverna, G., Garcia-Viguera, C., Bruni, R., Crozier, A. ja Del Rio, D. Molecules 2012, 17,

29 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat GRANAATTIOMENAN ELLAGITANNIINIT SEKÄ NIIDEN MAHDOLLISET SYÖPÄÄ ESTÄVÄT OMINAISUUDET Juha Pekkala Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Paljon polyfenoleita sisältävää granaattiomenaa on käytetty vuosisatoja ravitsemus- ja lääketieteellisiin tarkoituksiin. Granaattiomena sisältää paljon erilaisia polyfenoleita, joista ellagitanniineilla on havaittu olevan positiivisesti terveyteen vaikuttavia ominaisuuksia. Eri tutkimuksissa on havaittu, että todetut antimikrobiset, antikarsinogeeniset ja anti-inflammatoriset ominaisuudet johtuvat ellagitanniineista. [1] Kirjallisuuskatsauksessa pyrittiin selvittämään, miten erilaiset ellagitanniinit estävät syövän eri vaiheita. Lisäksi tarkasteltiin, miten eri ellagitanniinit ja niiden johdannaiset vaikuttivat syöpää edistäviin tekijöihin, kuten esimerkiksi CYP1-entsyymien aktiivisuuteen, suolistopatogeenien kasvuun ja HT-29-solujen lisääntymiseen. Granaattiomenan ellagitanniineista yleisimmät ovat punikalagiini ja punikaliini (kuva 1). Ellagitanniinit hajoavat ellagihapoiksi hydrolyysin kautta. Urolitiinit muodostuvat ellagihapoista suolistomikrobien vaikutuksesta. On havaittu, että urolitiinit ovat pääsääntöisesti bioaktiiviset yhdisteet suolistossa ellagitanniinien ja ellagihappojen sijasta. [2] Erilaisten urolitiinien rakenteet eroavat hydroksyyliryhmien määrässä ja sijainnissa. Yleisimpiä ovat urolitiini A ja B, joissa A:ssa on kaksi hydroksyyliryhmää ja B:ssä yksi hydroksyyliryhmä (kuva 2). Kuva 1. Granaattiomenan yleisimmät ellagitanniinit ja ellagihappo. Kuva 2. Yleisimmät urolitiinit Viitteet 1. Bialonska, D., Kasimsetty, S. ja Schrader, K., Ferreira D., J. Agric. Food Chem. 2009, 57, Espin, J., Larrosa, M., Garcìa-Conesa, M., Tomàs-Barberàn, F., Evid.-based Complement Altern. Med. 2013, 2013, Article ID

30 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat HYDROLYSOITUVIEN TANNIINIEN VESILIUKOISUUS JA HYDROFOBISET VUOROVAIKUTUKSET Heikki Saine Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Hydrolysoituvat tanniinit ovat joukko fenolisia yhdisteitä, joita esiintyy yleisesti kasvikunnassa. Hydrolysoituvat tanniinit toimivat kasveissa osana kasvien puolustusjärjestelmää. Ne aiheuttavat monille kasveille ominaisen karvaan maun, sekä sitovat ja saostavat kasvinsyöjän ruoansulatuksen entsyymejä, jolloin kasvinsyöjän ruoansulatus hidastuu ja ruoansulatuksen teho alenee [1]. Tässä tutkielmassa perehdytään erityisesti hydrolysoituvien tanniinien vesiliukoisuuteen sekä niiden hydrofobisiin vuorovaikutuksiin muiden yhdisteiden, kuten proteiinien, kanssa. Tutkielmassa esitellään aluksi hydrolysoituvien tanniinien alaluokat, jotka ovat gallotanniinit ja ellagitanniinit. Tämän jälkeen pohditaan näiden yhdisteiden vesiliukoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Vesiliukoisuus on näiden yhdisteiden osalta merkittävä ominaisuus, sillä hydrolysoituvien tanniinien tulee olla liuenneena veteen, jotta ne pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa tehokkaasti muiden yhdisteiden kanssa. Toinen tutkielman pääaiheista vesiliukoisuuden lisäksi on hydrolysoituvien tanniinien hydrofobiset vuorovaikutukset. Tutkielmassa pohditaan, millainen rooli hydrofobisilla vuorovaikutuksilla on tanniinien itsejärjestäytymiseen sekä sitoutumiseen muihin yhdisteisiin (kuva 1). Lopuksi pohditaan, millaisia käytännön sovelluksia hydrolysoituvilla tanniineilla voisi olla ihmisten terveyteen ja teollisuuteen. Kuva 1. Pentagalloyyliglukoosin (harmaa) mahdollinen sitoutuminen proteiiniin [2]. Viitteet 1. Barrett, A., Ndou, T., Hughey, C.A., Straut, C., Howell, A., Dai, Z. et al., Inhibition of ±-amylase and glucoamylase by tannins extracted from cocoa, pomegranates, cranberries, and grapes. J. Agric Food Chem. 2013, 61(7), Baxter, N.J., Lilley, T.H., Haslam, E. ja Williamson, M.P., Multiple interactions between polyphenols and a salivary proline-rich protein repeat result in complexation and precipitation. Biochemistry 1997, 36(18),

31 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt HYDROLYSOITUVAT TANNIINIT- BIOSYNTEESIPOLULTA SPEKTRI- JA MENETELMÄKIRJASTOKSI Laura Hauta*, Tuomas Karskela ja Juha-Pekka Salminen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Hydrolysoituvat tanniinit (HT) ovat luonnossa esiintyviä suurikokoisia yhdisteitä, joiden biosynteesipolun voidaan ajatella jakaantuvan ainakin kolmeentoista eri osaan. Tässä työssä kehitettiin yhdistespesifisiä menetelmiä, joiden avulla on jatkossa mahdollista vastata nopeasti kysymyksiin: tuottaako jokin kasvilaji HT-yhdisteitä, millä biosynteesipolun osalla ne tuotetaan ja millainen on tätä kautta kyseisen kasvilajin potentiaalisin HT-lähtöinen bioaktiivisuus. Tämän lisäksi jokaisen biosynteesipolun osan HT:lle luotiin spektrikirjasto UV-, ECD- ja MS/MS spektrien avulla. Tämä helpottaa kyseisten polkujen varrelta mahdollisesti havaittavien uusien yhdisteiden karakterisointia. Johdanto Hydrolysoituvat tanniinit (HT) ovat kasveissa esiintyviä sekundäärimetaboliitteja, joiden rakenteet vaihtelevat melko yksinkertaisista monomeereista hyvin monimutkaisiin oligomeereihin. Jo niiden karakterisointi voi olla hankalaa, vaikka tähän onkin tarjottu työkaluja mm. kromatografisen eluoitumisjärjestyksen, UV-spektrien, korkean resoluution massaspektrometrian ja massaspektrometristen frakmentoitumisten kautta [1]. Samankaltaisia haasteita liittyy myös HT:den totuudenmukaiseen kvantitointiin, sillä niitä on yleensä vaikea poimia yhdistespesifisesti esiin kasvisolun tuottamasta kymmenien ja satojen yhdisteiden seoksesta. Jos kvantitointiin olisi saatavilla valmiita työkaluja, voisi näiden monenlaista bioaktiivisuutta omaavien yhdisteiden tutkiminen helpottua huomattavasti. HT:den biosynteesipolun voidaan ajatella jakaantuvan ainakin kolmeentoista eri osaan (Kaavio 1). Biosynteesipolun osasta riippuen HT-yhdisteiden rakenteet ovat erilaisia ja sitä kautta myös niitä akkumuloivien kasvisolujen bioaktiivisuuksissa havaitaan eroja. Kasvilajien HT-profiilille on tyypillistä, että kunkin lajin tuottamat pääyhdisteet edustavat yleensä vain yhtä tai kahta biosynteesipolun osaa, jolloin tämä profiili voi toimia kemotaksonomisena markkerina ja samalla sen perusteella voidaan tehdä arvioita kyseisen kasvilajin bioaktiivisuudesta. Esimerkiksi gallotanniineja akkumuloivien lajien voidaan olettaa omaavan hyvän proteiiniaffiniteetin, kun taas avoketjuisia ellagitanniineja tuottavat lajit ovat tyypillisemmin hyviä oksidatiivisen aktiivisuuden aiheuttajia [1]. Tämän erikoistyön tarkoituksena oli puhdistaa malliyhdisteitä jokaisesta HT-biosynteesipolun haarasta ja kehittää jokaiselle yhdisteelle UPLC-DAD-ESI-MS/MS tekniikkaa hyödyntävä spesifinen MRM-kvantitointimenetelmä, jonka avulla yhdisteet voisi jatkossa sekä tunnistaa että kvantitoida mistä tahansa kasviuutteesta alle 10 minuutissa. Tämän lisäksi jokaiselle yhdisteelle on tarkoitus mitata UV- ja ECD-spektrit sekä useita erilaisia MS/MS-spektrejä, joita voidaan jatkossa käyttää hyväksi vastaavien uusien HT-yhdisteiden karakterisoinnissa. Materiaalit ja menetelmät Valitut yhdisteet puhdistettiin semipreparatiivisen käänteisfaaasinestekromatografian avulla. Yhdisteet analysoitiin UPLC-DAD-ESI-MS/MS:llä usealla eri tavalla, jolloin selvitettiin jokaiselle yhdisteelle (1) retentioaikaikkuna, (2) UV-spektri, (3) äiti-ionin molekyylipaino, (4) äiti-ionia 27

32 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt parhaiten akkumuloiva kartiojännite, (5) äiti-ionista frakmentoituvat tytärionit, (6) jokaiselle tytärionille paras törmäysenergia, ja (7) jokaista kartiojännite-törmäysenergiaparia vastaava MS/MS-spektri. Lisäksi määritettiin ECD-spektri ja yhdiste talletettiin molekyylikirjastoon. Tulokset ja johtopäätökset Kasvinäytteistä saatiin puhdistettua semipreparatiivisella nestekromatografialla useampi yhdiste jokaisesta hydrolysoituvien tanniinien biosynteesipolun kolmestatoista oletetusta haarasta (kaavio 1). Tunnistetut yhdisteet koostuivat kaksista erityyppisistä galloyylijohdannaisista, viisistä erityyppisistä ellagitanniinimonomeereista ja kuusista erityyppisistä ellagitanniinioligomeereista. Lisäksi puhdistettiin oligomeereille tyypillisiä hydrolyysituotteita. Yhdisteiden molekyylimassat vaihtelivat 332 Da ja 2804 Da välillä. Esittelen työni tarkemmat tulokset posterissa ja erikoistyöesitelmässä. GALLOYYLIGLUKOOSIT GALLOTANNIINIT 1GG 2GG 3GG 4GG Pentagalloyyliglukoosi (5GG) 6GG 8GG MONOMEERISET ELLAGITANNIINIT Modifioidut Dehydro-ET:t Tsebulagihappo Tsebulaniini Dehydro-ET:t Geraniini Askorgeraniini* Gallagyyliesterit Punikalagiini DiGGgallagyyliglukoosi (kaksi isomeeria) Yksinkertaiset HHDP-esterit Pedunkulagiini Tellimagrandiini I Tellimagrandiini II Striktiniini Isostriktiniini Kasuariktiini C-glukosidiset ET:t Veskalagiini Kastalagiini Veskavaloniinihappo Kastavaloniinihappo Stakhyuriini Kasuariniini Hippophaeniini A Hippophaeniini B m-dogoligomeerit Rugosiini D* Rugosiini G* Rugosiini E* m-gogoligomeerit Agrimoniini* Gemiini A* m-dog-oligomeerit, makrosyklinen Oenotheiini A Oenotheiini B OLIGOMEERISET ELLAGITANNIINIT m-godoligomeerit Sanguiini H-6* Lambertianiini A* Lambertianiini C* Rubusuaviini C* Glukopyranoosi- ja C-glukosidipohjaiset m-dog-oligomeerit Kokkiferiini D 2 C-glukosidiset m-dogoligomeerit Salikariniini A* Salikariniini B* Salikariniini C* Hydrolyysituotteet Rugosiini A* Rugosiini B* Hydrolyysituotteet Agrimoniinihappo A* Agrimoniinihappo B* Hydrolyysituotteet Sanguiini H-2* Rubusuaviini A* OLIGOMEERISTEN ET:EN HYDROLYYSITUOTTEET Kaavio 1. Hydrolysoituvien tanniinien biosynteesipolun kolmetoista olettua haaraa ja kustakin haarasta puhdistetut yhdisteet [2]. GG = galloyyliglukoosi, ET = ellagitanniini. DOG, GOG ja GOD kuvaavat monomeerien välistä linkitystapaaa. *= yhdisteen osalta työ on vielä kesken. Viitteet 1. Moilanen, J., Sinkkonen, J. ja Salminen, J.-P., Chemoecology. 2013, 23, Moilanen, J., Koskinen, P. ja Salminen, J.-P., Phytochemistry. 2015, 28

33 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt PROANTOSYANIDIINIEN METABOLIA LAMPAISSA: KVALITATIIVINEN JA KVANTITATIIVINEN ANALYYSI Annika Lehtimäki*, Maarit Karonen ja Juha-Pekka Salminen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Proantosyanidiinit ovat tanniineihin kuuluva ryhmä kasvien puolustusyhdisteitä, jotka kykenevät sitoutumaan ja muodostamaan komplekseja proteiinien kanssa. Märehtijöillä kompleksin muodostumisen on havaittu parantavan proteiininkäyttöä. Työssä tutkittiin esparsetista (Onobrychis viciifolia) ja keltamaiteesta (Lotus corniculatus) valmistetun säilörehun sisältämien proantosyanidiinien metaboliaa lampaissa in vivo. Tutkimuksessa hyödynnettiin kemiallisia menetelmiä (mm. HCl/BuOH-depolymerisaatiota), joiden avulla pystyttiin todentamaan liukenemattomat ja sitoutuneet proantosyanidiinit. Tuloksista nähdään, että juoksutusmahassa suurin osa proantosyanidiineista on sitoutuneessa muodossa (proteiineihin tai kasvikuituun) ja että liukoisten proantosyanidiinien osuus kasvaa ohutsuoleen mentäessä. Johdanto Proantosyanidiinit ovat kasvien yleisin tanniiniluokka, ja ne esiintyvät flavan-3-olien oligomeereina ja polymeereina. Ne jaetaan useaan eri alaryhmään, joista yleisimpiä ovat prosyanidiinit (PC) ja prodelfinidiinit (PD). PC- ja PD-yksiköistä muodostuneet oligo- ja polymeerit ovat biologisesti aktiivisia, mikä perustuu osittain niiden kykyyn sitoutua ja muodostaa liukoisia tai liukenemattomia komplekseja proteiinien kanssa. Märehtijöiden aineenvaihdunnassa muodostuneiden tanniini-proteiini -kompleksien ansiosta eläin pystyy tehostamaan proteiinien hyödyntämistä. Proteiineihin sitoutunut tanniinikerros suojaa proteiineja pilkkoutumiselta pötsissä ja vuorovaikutuksen voimakkuudesta riippuen, ne saattavat vapautua ohutsuolessa ruuansulatuksen käytettäväksi. Kokonaisuudessaan prosessi voi parantaa eläimen terveyttä, maidontuottoa ja -laatua sekä vähentää märehtijöistä aiheutuvia ympäristöpäästöjä [1]. Työssä tutkittiin in vivo -tasolla lampaille syötetyn esparsetista (Onobrychis viciifolia) ja keltamaiteesta (Lotus corniculatus) valmistetun säilörehun sisältämien proantosyanidiinien metaboliaa. Tarkoituksena oli myös selvittää, miten tanniinikoostumus mahdollisesti muuttuu säilörehua valmistettaessa. Materiaalit ja menetelmät Näytemateriaaleina olivat kunkin kasvilajin tuore kasvi, säilörehun valmistukseen käytetty nahistunut kasvi ja säilörehunäyte sekä lampaista saadut juoksutusmaha-, ohutsuoli- ja paksusuolinäytteet. Näytteet uutettiin asetoni/veden (80/20, V/V) avulla. Uuttojäännös pestiin vielä asetonilla ja dikloorimetaani/metanolilla (1:1, V/V). Uute jaettiin vesi- ja rasvaliukoiseen osaan vesi/heksaaniuuton avulla. HCl/BuOH-menetelmää käytettiin proantosyanidiinipitoisuuden määrittämiseen. Menetelmä perustuu vahvan hapon (HCl) katalysoimaan depolymerisaatioreaktioon, jossa proantosyanidiinipolymeerit hajoavat värillisiksi antosyanidiineiksi, jotka voidaan mitata spektrofotometrisesti kuoppalevylukijalla (550 nm). Perinteisessä menetelmässä näyte inkuboitiin 95-asteisessa 2-butanolissa, joka sisälsi 5 % HCl:ää [3]. Sovelletussa menetelmässä näyte 29

34 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt inkuboitiin 70-asteisessa 2-butanolissa, joka sisälsi 50 % asetonia, 5 % HCl:ää ja 0,4 g/l ammoniumrauta(iii)sulfaattia [2]. Proantosyanidiinien sitoutumista proteiineihin ja kasvikuituun tutkittiin SDS-liuoksen ja perinteisen HCl/BuOH-menetelmän avulla. SDS-liuos sisälsi 10 g/l SDS:ää ja 50 g/l merkaptoetanolia 10 mm:ssa trishydrokloridia, jonka ph säädettiin NaOH:n avulla arvoon 8,00. Kokonaisfenolipitoisuus määritettiin Folin Ciocalteu -reagenssin avulla. Menetelmässä näytteen sisältämät fenoliset hydroksyyliryhmät pelkistävät reagenssin ja näyte värjäytyy siniseksi, mikä voidaan detektoida spektrofotometrisesti kuoppalevylukijalla (730 nm). Kasviuutteiden tanniinikoostumus, kvantitatiivinen proantosyanidiinipitoisuus, PC/PD-suhde ja proantosyanidiinien keskimääräinen polymerisaatioaste määritettiin hyödyntämällä ultrakorkean erotuskyvyn nestekromatografia yhdistettynä diodirividetektoriin- ja kolmoiskvadrupoli massaspektrometriin (UPLC-DAD-MS/MS). Tulokset ja johtopäätökset Kuvassa 1 esitetyistä esparsetista (Onobrychis viciifolia) johtuvista proantosyanidiinipitoisuuksista havaitaan, että liukoisten proantosyanidiinien pitoisuus laskee jo säilörehun valmistuksen yhteydessä. Suurin osa proantosyanidiineista on juoksutusmahassa liukenemattomassa sitoutuneessa muodossa (proteiineihin tai kasvikuituun), mutta ohut- ja paksusuolessa liukoisten tanniinien suhteellinen osuus nousee lähes tuoreesta kasvista havaitulle tasolle. Nämä havainnot jo yksinään antavat viitteitä esparsetin PC/PD- oligomeerien ja polymeerien toimintamekanismeista lampaissa. Tarkemmat tulokset tulen esittelemään posterissa ja erikoistyöesitelmässä. mg/g Proantosyanidiinien kokonaispitoisuuden jakaantuminen Liukoinen Liukenematon Kuva 1. Esparsetin (Onobrychis viciifolia) sisältämien proantosyanidiinien kokonaispitoisuuden jakaantuminen kasvi- ja rehunäytteissä sekä rehua syöneiden ja myöhemmin teurastettujen lampaiden juoksutusmaha-, ohutsuoli- ja paksusuolinäytteissä. Viitteet 1. Adamczyk, B., Salminen, J.-P., Smolander, A. ja Kitunen, V., Int. J. Food Sci. Technol. 2012, 47, Grabber, J.H., Zeller, W.E. ja Mueller-Harvey, I., J. Agric. Food Chem. 2013, 61, Terrill, T.H., Rowan, A.M., Douglas, G.B. ja Barry, T.N., J. Sci. Food Agric. 1992, 58,

35 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt TANNIINIEN KEMIALLISET OMINAISUUDET JA NIIDEN MITTAUSMENETELMIÄ Reetta Ylöstalo* ja Maarit Karonen Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Tanniinin kyky sitoutua proteiiniin ei ole aina ennustettavissa tanniinin rakenteen perusteella, mutta sen sijaan niiden oktanoli-vesi-jakaantumiskertoimien (K ow ) on havaittu korreloivan in vivo määritettyjen tanniini-proteiini-vuorovaikutusten kanssa. Erikoistyössä kehitetään erilaisia menetelmiä K ow -kertoimien määrittämiseksi sekä selvitetään tanniineille havaittujen kertoimien ja pro-oksidanttiaktiivisuuksien yhteneväisyyttä. K ow -kertoimet mitataan kolmella eri metodilla: korkean erotuskyvyn nestekromatografilla ja diodirividetektorilla (HPLC-DAD), erittäin korkean erotuskyvyn nestekromatografilla ja diodirividetektorilla tai massaspektrometrillä (UHPLC- DAD/MS) ja kuoppalevylukijalla tehtävällä Folin-Ciocalteu -menetelmällä. Johdanto Kasvien tanniinit vuorovaikuttavat proteiinien kanssa joko hapettumisen tai muun sitoutumisen ja saostamisen kautta [1]. Tämä kyky vaikuttaa mm. proteiinien imeytymistehokkuuteen kasvinsyöjien suolesta [1], mitä voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi maataloudessa parantamaan typen imeytymistä märehtijöiden ravinnosta tai torjumaan sisäloisia [2]. K ow -kerrointa käytetään yleisesti ympäristötutkimuksessa ja farmakologiassa arvioitaessa yhdisteen affiniteettia esimerkiksi epäorgaanisiin maahiukkasiin ja solukalvoihin. Erikoistyön tavoitteena on testata ja kehittää K ow -kertoimien määrittämiseen soveltuvia menetelmiä ja verrata saatuja arvoja yhdisteiden hapettumisherkkyyteen. Materiaalit ja menetelmät Tutkimuksessa käytetään noin 40:ä rakenteellisesti erilaista proantosyanidiinia ja ellagitanniinia (kuva 1), jotka eristetään useista eri kasvilajeista preparatiivisella ja semipreparatiivisella nestekromatografialla. Eri puhdistusvaiheiden seurantaan ja yhdisteiden tunnistamiseen käytetään UHPLC-DAD-MS:a. K ow -kertoimet määritetään ensin perinteisesti antamalla tunnetun yhdistepitoisuuden tasapainottua oktanoli- ja vesifaasin välillä ja mittaamalla konsentraatio kummassakin faasissa HPLC-DAD:lla. Vastaavat määritykset tehdään UHPLC-DAD-laitteistolla ja Folin-Ciocalteumenetelmällä kuoppalevylukijalla. Kuoppalevylukijalla mitataan myös yhdisteiden autooksidaatiolla ph:ssa 10 hapettuva osuus kokonaisfenolipitoisuudesta. Lisäksi kehitetään nopea ja herkkä usean reaktion seuranta (multiple reaction monitoring) -mittausmenetelmä UHPLC-MS:lle, jonka avulla voidaan määrittää yksittäisten yhdisteiden K ow -kertoimet useita yhdisteitä sisältävistä kasviuutteista ja -fraktioista. 31

36 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt a) b) Kuva 1. Työssä käytettyjen tanniinien tyypillisiä rakenteita: a) tellimagrandiini I (ellagitanniini) b) dimeerinen prodelfinidiini (proantosyanidiini). Tulokset ja johtopäätökset Ruusujen sisältämästä laajasta ellagitanniini- ja galloyyliglukoosikirjosta ja mustaherukan proantosyanidiineistä eristettiin noin 5 20 mg yksittäisiä tanniineja ellagitanniineista monomeerejä, dimeerejä ja trimeerejä ja proantosyanidiineistä dimeerejä ja trimeerejä. Kaikille tutkittaville yhdisteille on löydetty yhteinen sopiva konsentraatio (1 mm kantaliuos) ja käytännön testeissä havaittu kokeiden onnistuvan huomattavan pienessä mittaluokassa. HPLC-DAD -mittaus toimii kaikille tähän asti testatuille yhdisteille. Haittapuolena on analyysiajan pituus: yhden yhdisteen analyysiaika rinnakkaismäärityksineen on 16 tuntia. Kuoppalevylukijamenetelmällä saatavat tulokset yhtenevät HPLC-DAD-tulosten kanssa melko hyvin. Yhteneväisyyteen saattavat vaikuttaa puhdasaineiden sisältämät epäpuhtaudet, jotka myös detektoidaan kuoppalevylukijalla ja lukijan määritysrajat, joiden vuoksi liuoksista on analysoitava useampia laimennoksia. Alustavien tulosten perusteella K ow -kerroin ei riipu edes tanniiniryhmän sisällä yhdisteen koosta, ts. molekyylipainosta. Tutkitut dimeerit ovat monomeereihin verrattuna vesiliukoisempia ja lisäksi heksahydroksidifenyyliryhmien määrällä vaikuttaisi olevan merkitystä jakaantumiseen. Yksittäisten yhdisteiden UHPLC-MS-kvantitoinnin suoraan yhdisteseoksista odotetaan onnistuessaan nopeuttavan K ow -kerroinmäärityksen tekoa huomattavasti, sillä yhdisteiden puhdistamisen tarve poistuisi ja puhdasainekokeissa käsin tehtäviä vaiheita voitaisiin mahdollisesti automatisoida. Lisäksi analyysiaika lyhenisi merkittävästi. Massaspektrometria kuitenkin asettaa menetelmälle tiettyjä rajoituksia: Kasviuutteet sisältävät sekä vesi- että rasvaliukoisia yhdisteitä ja jos kummatkin halutaan detektoida, sekä oktanoli- että vesifaasi on analysoitava. Erilaiset liuottimet saattavat kuitenkin vaikuttaa sähkösumutusionisaation tehokkuuteen. Viitteet 1. Salminen, J.-P. ja Karonen, M., Funct. Ecol. 2011, 25 (2), Mueller-Harvey, I., Mlambo, V., Sikosana, J. L. N., Smith, T., Owen, E. ja Brown, R. H., J. Agric. Food Chem. 2007, 55, Hagerman, A. E., Rice, M. E. ja Ritchard, N. T., J. Agric. Food Chem. 1998, 46,

37 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät WILLOWHERB OLIGOMERIC ELLAGITANNINS: QUANTIFICATION AND BIOACTIVITY Nicolas Baert Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Jari Sinkkonen Funding: European Commission (PITN-GA , LegumePlus project). Estimated time of PhD dissertation: Main aims of the PhD research Tannin-rich forages have numerous benefits in animal nutrition. However, tannins are a very diverse family of molecules with various chemical structures and, therefore, contrasting activities. Knowledge is scarce about what structure causes what activity, yet understanding that correlation is highly important to achieve a more efficient and targeted use of tannin-rich forages. My research aims at reducing that gap in the knowledge of plant polyphenols bioactivity by addressing one aspect of the question: the size-effect. That goal will be achieved by testing 6 oligomeric ellagitannins (fig. 1) isolated from willowherb (Epilobium angustifolium) in a series of in vitro tests. I will evaluate and compare their potency to reduce methane production in cows, and their capacity to weaken sheep intestinal parasites. Those compounds constitute an excellent model for this research purpose as they differ from one another by size only. In addition, a method that enables the quantification of those compounds in willowherb will be developed and implemented to study their distribution in the plant and in several populations of that species. Main results so far Tellimagrandin I based oligomeric ellagitannins up to heptamer were isolated and purified from willowherb for the first time. Those pure compounds were then utilised to create a UPLC-MS/MS method using the Multiple Reaction Monitoring (MRM) technology (fig. 2). This method enables fast and selective detection and quantification of those oligomers in Epilobium angustifolium samples [1]. The in vitro assays on ruminal fermentation showed a decrease in methane production and a correlated shift in the volatile fatty acids synthesis. Both activities vary according to the oligomer size and reach an optimum with a certain oligomer size [2]. The oligomeric ellagitannins ability to induce paralysis on sheep s nematodes was tested in vitro. Results show a significant dose-dependent and sizedependent response. Interestingly, positive results were obtained at concentrations as low as 25 μm, which is physiologically conceivable for an animal feeding on willowherb [3]. The distribution of oligomeric ellagitannins along with several flavonoid glycosides was studied in different parts of willowherb. Preliminary results indicate that the concentration in oligomers decreases as their size increases. Oenothein B and A (dimer and trimer, respectively) are the most abundant phenolic compounds in the plant and represent, together, about 10% of the dry weight in leaves and flowers [4]. 33

38 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät UV 280 MRM of Dimer MRM of Trimer MRM of Tetramer MRM of Pentamer MRM of Hexamer MRM of Heptamer Figure 1. Structure of tetrameric tellimagrandin I. Figure 2. UPLC-UV chromatogram of willowherb flower extract and detection of the oligomers by the created MRM methods. The significance of my research for the research group and the whole research field My research is a continuum for our group s previous findings of the presence of the largest ellagitannins, up to undecamers, from the plant kingdom. I have now isolated these exceptionally large ellagitannins up to heptamer and studied their bioactivity for the first time. At the same time my bioactivity studies are a part of two larger projects conducted by our group that will comprehensively evaluate ruminant-related bioactivities of more than 30 ellagitannins. Additionally, this research is part of a European project named LegumePlus that aims at promoting a more rational use of bioactive forages in animal nutrition. By gaining a finer comprehension of the structure-activity relationship of polyphenols we are able to select the most efficient and the most suitable crop for a desired result: increasing milk and meat quality, protection against intestinal nematodes or decreasing methane emissions. Papers to be included in the PhD thesis 1. Baert, N., Karonen, M., Salminen, J-P. UPLC-MS/MS enables quantification of macrocyclic oligomeric ellagitannins. Manuscript to be submitted to J. Chrom. A. in April Baert, N., Pellikaan, W. F., Karonen, M., Salminen, J-P. Oligomeric ellagitannins affect in vitro ruminal methanogenesis in a size-dependent manner. Submission planned for Baert, N., Hoste, H., Karonen, M., Salminen, J-P. Anthelminthic activity of willowherb oligomeric ellagitannins. Submission planned for Baert, N., Kim, J., Karonen, M., Salminen, J-P. Distribution of main phenolic compounds in willowherb populations. Submission planned for

39 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät UNDERSTANDING THE POSITIVE ENVIRONMENTAL EFFECTS OF PLANT TANNINS: ASSESSMENT AND APPLICATIONS Marica Engström Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Turku University Foundation, Svenska tekniska vetenskapsakademien i Finland (STV) Estimated time of PhD dissertation: 2016 Main aims of the PhD research The aim of my PhD research is (1) to develop rapid and specific UPLC-QqQ-MS/MS methods for screening plant samples for their bioactive polyphenol content, (2) to develop simple methods which can be used to quickly test if some plant species is a potential candidate to be used as environmentally friendly forage, (3) to investigate the chemical properties of those plant tannins that have greatest anthelmintic effects on the different stages of ruminant parasites (egg, L1 and L2 stage larvae) and (4) to study the covalent complex formation of tannins and proteins. Main results so far We developed UPLC-QqQ-MS/MS methods that offer fast, sensitive and selective tools for achieving a more thorough understanding of the active and inactive polyphenols in plants. With the methods, a broad overview of fingerprints of eight common polyphenol classes, ellagitannins, gallic acid and quinic acid derivatives, quercetin, kaempferol and myricetin glycosides, procyanidins and prodelphinidins can be achieved in relatively short time. Together with my undergraduate student Milla Leppä, we have also developed a UPLC-MS based method for the rapid screening of protein precipitation capacity of different plant polyphenols from plant extracts (Figure 1). During my six month visit in French National Institute for Agricultural Research (Toulouse, France) I studied the in vitro effect of series of 27 ellagitannins, 7 galloylglucoses/ gallotannins and their hydrolysis product, gallic acid, on egg hatching and motility of L1 and L2 stage larvae of the Haemonchus contortus. The results indicated that the activity of these compounds depended on many structural features, including size, functional groups present in the structure, stereochemistry of certain functional groups, and the structural rigidness of the studied compounds. Results from scanning electron microscopy further confirmed the effect of the studied tannin molecules. Studies on tanninprotein complex formation suggested that in general, higher ph, higher tannin: protein ratio, and longer incubation time favor the formation of covalently stabilized complexes. Furthermore, the exact tannin structure plays a crucial role in the relative importance of these variables as well. 35

40 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 1. UPLC-DAD trace at 280 nm of a plant extract before (A) and after (B) removal of polyphenols with high protein affinity. The significance of my research for the research group and the whole research field My PhD research is adjacent to two other studies in our laboratory, Academy of Finland Postdoctoral Researchers project "Promising ellagitannins: effects on ruminant health and greenhouse gas emissions" of my supervisor Maarit Karonen and the EU Marie Curie Initial Training Network project Legume Plus of my principal supervisor Juha-Pekka Salminen, funding also PhD student Nicolas Baert. In these projects the role of single ellagitannins and forage plants in environmental related ruminant aspects is evaluated by investigating the effect of ellagitannins on different larval stages and on the production of methane and nitrogen emissions by ruminants. By understanding the mechanisms behind the positive environmental effects of the plant tannins, it is possible to tell which forages would be both energetically and environmentally the best choice for the worldwide ruminant feeding. The developed UPLC-QqQ-MS/MS methods offer a user-friendly, robust and fast addition to the chemistry tools currently used for the qualitative and quantitative screening of large numbers of samples for their bioactive polyphenol-types and content, and these methods are in routine use in our laboratory. The better knowledge obtained on the anthelmintic properties of single ellagitannins and galloyglucoses/gallotannins should further promote the selection of most suitable plants to be tested for their anthelmintic properties in other research groups as well. Papers to be included in the PhD thesis 1. Engström, M.T, Pälijärvi, M., Fryganas, C., Grabber, J., Mueller-Harvey, I., Salminen, J.-P., J. Agric. Food Chem., 2014, 62, Engström, M.T, Pälijärvi, M., Salminen, J.-P Rapid fingerprint analysis of plant extracts for ellagitannins, gallic acid and quinic acid derivatives, and quercetin-, kaempferol- and myricetin-based flavonol glycosides by UPLC-QqQ-MS/MS (submitted to J. Agric. Food Chem., under revision) 3. Engström, M.T, Karonen, M., Baert, N. Payré, B., Hoste, H., Salminen, J.-P Beneath the surface: Structure-activity relationships and the anthelmintic properties of plant tannins (to be submitted to Int. J. Parasitol.) 4. Engström, M.T, Suber, M.P., Salminen, J.-P., Hagerman, A Covalent stabilization of ellagitannin-protein complexes (to be submitted to J. Agric. Food Chem.) 5. Engström, M.T., Leppä, M., Salminen, J.-P Rapid analysis of plant polyphenols with protein affinity by UPLC-QqQ-MS/MS (to be submitted to J. Agric. Food Chem.) 36

41 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät EVOLUTION AND DISTRIBUTION OF POLYPHENOL- BASED DEFENSES OF PLANTS Jorma Kim Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisors: Prof. Juha-Pekka Salminen and Doc. Maarit Karonen Funding: NCRG Research Services, Department of Chemistry Estimated time of PhD dissertation: 2018 Main aims of the PhD research Plants produce tannins for chemodefensive means against herbivory. Two mechanisms have been proposed: 1) precipitation with plant proteins, compromising the nutritional value of plant, and 2) auto-oxidation in alkaline conditions in caterpillar midguts followed by oxidative stress as the oxidation products and their by-products damage nutrients or cause cytotoxic effects on the gut lumens. My aim is to comprehensively study the polyphenol profiles and bioactive effects i.e. oxidation at elevated ph, and protein precipitation capacity of a wide selection of species from different parts of plant phylogeny and observe the distribution of these two defensive means in the plant kingdom from an evolutionary point of view. During my studies I use the state-of-the-art technology available in our laboratory to analyse thousands of samples with relative ease, thanks to the extensive development of analysis techniques during the past decades. In addition I will further develop and improve these analysis methods from the metabolomics point of view. Polyphenol profiles are studied using ultrahigh-performance liquid chromatography (UPLC) and mass spectrometry (MS), utilising both triple quadrupole MS/MS and quadrupole orbitrap MS/MS technologies. Main results so far At the moment the research is focused on the seed polyphenols of Panamanian trees. Seeds of Psychotria genus were found to contain oligo- and polymeric propelargonidins, a subgroup of proanthocyanidins (Figure 1) consisting mainly of afzelechin units, for which selective MS/MS quantitation methods are not yet available. After obtaining propelargonidin-rich fractions from Psychotria grandis seed extract using Sephadex LH-20 gel, I observed how these oligo- and polymers fragment by triple quadrupole MS/MS. The information obtained was used to develop a group-selective MS/MS quantitation method. The results are promising (Figure 2), and I expect to publish the finalized method later this year. The significance of my research for the research group and the whole research field My research benefits directly two projects conducted in our group. By combining the plant samples of the Panama (led by Dr. Sofia Gripenberg from University of Oxford) and PolyphenoOx (led by Prof. Salminen) projects, I am able to obtain a uniquely wide selection of polyphenol-rich plants from five continents. These help me to develop new group-specific MS/MS and metabolomicsoriented MS tools to be used by others as well. My research will be one of the first large-scale polyphenol studies to benefit from the high-resolution orbitrap MS combined to UPLC, and I will also be one of the first to use the metabolomic approach in my data processing in this scale. As a whole, my research will result in comprehensive database of the distribution of polyphenol-based 37

42 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät defensive mechanisms in the plant kingdom. The database will be made available for all scientists in the research field so that they can readily utilise my findings in their own work. Platypodium elegans Machaerium seemannii Licania platypus Anacardium excelsum Lafoensia punicifolia Combretum fructicosum Combretum laxum Psychotria limonensis Psychotria chagrensis Psychotria grandis Psychotria marginata Psychotria horizontalis caffeic acid derivative procyanidins prodelphinidins tri- and tetragalloyl glucose punicalagin punicalagin punicalagin propelargonidins propelargonidins propelargonidins propelargonidins propelargonidins Figure 1. Simplified phylogenetic tree for selected tree species of Panama. The highest polyphenol concentration in mg/g, and the highest absolute protein precipitation capacity (PPC) and pro-oxidant activity. The highest relative pro-oxidant activity. The highest relative PPC. extension units afzelechin terminal unit catechin Figure 2. The UV chromatogram recorded at 280 nm of the Psychotria grandis raw extract with superimposed normalised total ion chromatograms from multiple reaction monitoring (MRM) analyses of Sephadex fractions 6 and 8. Ion with m/z at 271 represents the afzelechin extension unit while ion with m/z at 289 represents the catechin terminal unit, illustrated in the trimer structure on the right. Papers to be included in the PhD thesis Kim, J., Gripenberg, S., Karonen, M., Salminen, J.-P. Oligomeric and polymeric propelargonidins can be quantified by selective MS/MS technology Manuscript to be submitted. 38

43 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät ELLAGITANNINS IN FINNISH PLANT SPECIES CHARACTERIZATION, DISTRIBUTION AND OXIDATIVE ACTIVITY Johanna Moilanen Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen Funding: Academy of Finland, Kone Foundation, Turku University Foundation and Department of Chemistry. Estimated time of PhD dissertation: 6/2015. Main aims of the PhD research The main aims of my thesis work can be summarized by posing the following questions. How and by which methods ellagitannins (ETs; Fig. 1) can be effectively and easily recognized/characterized from complex plant samples without having to isolate each one them for individual characterization? Which kind of ETs Finnish plant species produce? How much different plant species produce them? How they are distributed among plant families, genera and species? How structurally different ETs react in different biological environments? Which structural features affect their reactivity? Main results so far The basis for my PhD work originates from the fact that ETs are more prone to oxidation than are other types of tannins (i.e. proanthocyanidins, gallotannins and galloyl glucoses) in the highly alkaline gut conditions of plant-eating insect herbivores. Thus, it was of interest to study in more detail how ETs with different structures differ in their propensity to oxidize. To study this, 27 ETs were purified and their oxidative activity (i.e. the rate at which they form quinones and other oxidation products at ph 10) was measured [1]. It was found that ETs differed significantly in their propensity to oxidize, and that this propensity was attributable to certain structural features. The first study generated also a lot of characterization-related data. The published data on the characterization of ETs is mainly focused on reporting detailed spectroscopic and spectrometric data of individual ETs, and there is no literature available that concerns the characterization of ETs from more complex samples, e.g. from plant crude extracts. Thus, there was a need for a more general approach that would make the characterization of ETs easier. By utilizing the chromatographic, spectroscopic and spectrometric data of 22 ETs, we showed that it is possible to classify ETs into different sub-groups and even identify ETs straight from the crude extracts of the plant samples [2]. The characterization patterns presented in [2] were of significant aid in the next study, in which 82 Finnish plant species were screened [3]. The aim was to find out, which plant species contain ETs, which type of ETs they produce and how much ETs they produce. From the studied plant species 30 were found to contain ETs and the content of ETs varied, depending on the species, from trace amounts to more than 90 mg g 1 of the crude extract. The specific ET compositions of the studied plant species was also associated to their taxonomic classification. It was found that these two are surprisingly compatible with each other. For example, it was found that species belonging to same genera have similar ET profiles. 39

44 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät The final study to be included in my PhD thesis will extend the bioactivity part of my research. In [4], the activities of 13 ETs have been measured with an assay that can be used to evaluate the radical scavenging activity, metal ion chelating ability and pro-oxidant activity of ETs. The reaction conditions are quite different from those used in [1], and thus, these results will give a wider picture of the activities of ETs. Furthermore, this study included some new ETs that were not available for [1]. The results of these ETs will be included in [4], and they will thus widen the oxidative activity perspective too. Figure 1. Examples of ellagitannins belonging to different sub-groups. A = pedunculagin, a glucopyranose-based ellagitannin, B = vescalagin, a C-glucosidic ellagitannin and C = geraniin, a dehydroellagitannin. The significance of my research for the research group and the whole research field The results of my thesis work have provided information about the activities of ETs [1, 4], about their characterization from complex plant samples [2] and about their occurrence in Finnish plant species [3]. The results from the activity studies have shown that ETs possess activity in different conditions and that they can be harmful for herbivores that consume them. For a long time, ETs were considered to be biologically non-relevant because they are not as good in precipitating proteins as are other types of tannins. The protein precipitation hypothesis has had a significant impact on the studies concerning plant-herbivore interactions, but as our results (among many others) show, this is not the case. On the other hand, ETs are sometimes said to be difficult to analyze because of their complex structures. This is not valid either since the data presented in [2] showed that a lot of information about the structures of ETs can already be obtained from, for example, the liquid chromatographic retention order and from the UV spectrum. Thus, [2] should be useful for all those who are interested in finding out the ET compositions of their plant samples. The results presented in [3] are part of wider study ongoing in our research group. In [3], the focus was set on ETs, but in the future more studies will be published in which the polyphenol profiles of plant species are presented in more detail. Nevertheless, [3] was first study in which the ET composition of Finnish plant species was studied at this extent. Papers to be included in the PhD thesis 1. Moilanen, J., Salminen, J.-P. Chemoecology 2008, 18, Moilanen, J., Sinkkonen, J., Salminen, J.-P. Chemoecology 2013, 23, Moilanen, J., Koskinen, P., Salminen, J.-P. Distribution and content of ellagitannins in Finnish plant species. Phytochemistry 2015 (available online at 4. Moilanen, J., Karonen M., Tähtinen, P., Jacquet, R., Quideau, S., Salminen, J.-P. Additional evidence on the variable bioactivity of ellagitannins: effects as antioxidants, pro-oxidants and metal chelators. Manuscript to be submitted to Chemoecology. 40

45 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät TANNIN DIVERSITY OF RUBUS CELL AND ORGAN CULTURES: CHARACTERIZATION, BIOSYNTHESIS AND METABOLISM Jussi Suvanto Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen Funding: NCRG Research Services Estimated time of PhD dissertation: 2019 Main aims of the PhD research Berries of Rubus genus are unique in that they are unusually rich in polyphenolic ellagitannins. Plant phenolics often possess various bioactivities, thus being beneficial not only for plant, but also for human health. The yearly crop of Rubus berries in Nordic countries, on the other hand, is highly varying as the climate and conditions are varying and overall challenging. The project aims to produce and characterize polyphenolic secondary metabolites, most importantly ellagitannins and proanthocyanidins (syn. condensed tannins) in cell and organ cultures of several Rubus species (Fig 1). The profile and quantity of produced tannins will be modulated and boosted with the use of suitable chemical elicitors and tannin pathway precursors. Tannins found in the cell culture samples will be identified and quantified. The characterization of unknown compounds will mainly be done by high resolution mass spectrometry and NMR spectroscopy. Time-point measurements will be done from the cell culture samples at regular intervals to qualitatively and quantitatively monitor the biosynthesis of tannins and other polyphenols. Figure 1. Production of ellagitannins from cell cultures of cloudberry (Rubus chamaemorus). At the same time, the project will also focus on studying and achieving a better understanding of the poorly known biosynthesis of ellagitannins. This will be done by feeding the Rubus cell cultures different types of various ellagitannins and their biosynthetic precursors. As ellagitannins are not commercially available, they will be isolated and purified for the project from plant material. The tannins produced by the cell cultures will also be studied for their ability to release tannin metabolites when introduced to gut microbiota as much of the health-promoting effects of ETs are due to their metabolism in the gut into e.g. different types of urolithins. The work will be done in collaboration with a team at VTT Technical Research Centre of Finland. Berries have been intensively studied by the VTT group over the past ten years in several 41

46 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät research projects coordinated by docent Riitta Puupponen-Pimiä, and they have established cell cultures for both several Rubus species and other plants. Main results so far Berry plants of the Rubus genus are commonly reported to contain two main ellagitannins, as well as a myriad of other monomeric and oligomeric ellagitannins. The cell cultures of several Rubus species at VTT, on the other hand, are rich in various phenolic compounds not detected in actual plant samples (Fig 2). Interestingly, proanthocyanidins with high polymerization level were detected in these cell cultures which shows that the cultures have the biosynthetic capacity to form complex tannins. Preliminary studies have also shown the cell culture samples to contain anthocyanins (which are biosynthetic precursors to proanthocyanidins), flavonoids, monogalloyl glucose and several so far unknown secondary metabolites. Monogalloyl glucose is an important part of the biosynthetic pathway of ellagitannins: all ellagitannins are produced via pentagalloyl glucose that needs monogalloyl glucose as the key metabolite in the formation of di-, tri- and tetragalloyl glucoses. Therefore the production of monogalloyl glucose but not yet the other galloyl glucoses or ellagitannins by the cell cultures is of particular interest. Figure 2. UV chromatograms (λ = 280 nm) of a typical Rubus plant sample (left) and of a preliminary cell culture sample (right). The significance of my research for the research group and the whole research field Our research group hasn t previously done work on cell cultures, which provide an excellent base for biosynthetic studies on ellagitannins and possibly growing platforms for novel ellagitannins. The biosynthetic pathways themselves are not well known, so the results will provide valuable understanding on what happens inside plant cells throughout the growing period. The studies done on ellagitannin metabolite production will provide information on which types of ellagitannins are the most efficient producers of urolithins. This will tell us which compounds could be used to maximize the health benefits of ellagitannins. Together with the in vitro knowledge of the ease of formation of different types of gut metabolites (catechols vs pyrogallols vs urolithins) from the isolated berry tannins, this project will serve as a platform for development of future cell cultures to optimize the production of most potent ellagitannins in other ellagitannin producing berries such as strawberries. Novel components will be discovered and characterized in berry cell cultures, and potentially biofunctional ellagitannins will be identified. If the cell cultures are able to produce fully novel structures, they can be later accumulated into large-scale batch cultures at VTT for further testing by the industry collaborators. 42

47 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät TANNINS AND OTHER POLYPHENOLS IN GERANIUM SYLVATICUM: ISOLATION, IDENTIFICATION AND BIOLOGICAL SIGNIFICANCE Anu Tuominen Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Jari Sinkkonen Funding: Emil Aaltonen Foundation, Turku University Foundation, Department of Chemistry Estimated time of PhD dissertation: 8/2015 Main aims of the PhD research This study originates from the co-operation with ecologists of University of Turku who studied the preference of pollinators and herbivores between female and gynodioecious plants of Geranium sylvaticum. The aim of this study is to characterize tannins in G. sylvaticum and study their biological activity and the variation of tannin content and tannin type among organs, throughout the growing season, between sexual morphs and populations. Then we can better understand what kind of defensive compounds different plant organs contain and what is the role of these compounds in ecological interactions. Main results so far My first two papers describe the organ-specific distribution of water-soluble tannins, flavonoids and phenolic acids in G. sylvaticum and discuss how chemical profiles can reflect different pressures against natural enemies (Fig. 1) [1-2]. This plant is very rich in tannins and other phenolic constituents which content and type vary significantly in different organs. Leaves contain considerably high content (13% of dry weight) of ellagitannin, geraniin. Seasonal and ontogenic variation of tannins in G. sylvaticum was studied using UPLC-DAD-tripleQ-MS and MRM methods which showed that geraniin content in leaves is at the highest during flowering [6]. Proanthocyanidins are more abundant in roots and seeds of this plant [1]. Proanthocyanidin type and size was more deeply studied with off-line 2-dimensional chromatographic analysis using HILIC and RP columns [1-2,5]. The main degree of polymerization in roots and seeds was similar (5-7), but seeds contained mainly procyanidins whereas roots contained also prodelphinidins and mixed oligomers [1,5]. Petals accumulate a unique group of phenolic compounds that were not found in the other plant parts [1]. These compounds compose a totally new group of hydrolysable tannins that contain additional acetylglucose moiety attached to the galloyl groups of galloyl glucoses and chebulinic acid (Fig. 1) [3]. This new hydrolysable tannin group was named as sylvatiins. Sylvatiins showed ability to act as co-pigments of petal anthocyanins by enhancing their color in a large ph scale (Fig. 1) [3]. In fourth paper, a new method was developed to study the stability and oxidation products of selected hydrolysable tannins in basic conditions by HPLC/DAD-ESI/QTOF/MS [4]. Hydrolysable tannins degraded or oxidized rapidly in basic conditions and half-lives were mostly less than 10 min at ph 10. HPLC analyses revealed that various products were formed and identified to be the result of hydrolysis, deprotonation and oxidation. Interestingly, the main hydrolysis product was ellagic acid; also for galloyl derivatives not containing coupled galloyl groups in their initial structures [4]. 43

48 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 1. Distribution of polyphenols and biological activity among organs of Geranium sylvaticum and some of the main tannins. The well plate demonstrates co-pigment effect of sylvatiins. The significance of my research for the research group and the whole research field My research fits well to the very core of our research group which is phytochemistry and especially chemically demanding tannins. I have done thorough qualitative and quantitative analysis of G. sylvaticum tannins and this knowledge will aid further utilization of this plant for example in compound isolation. I have developed our existing pro-oxidant activity method so that the oxidation products at basic ph are analyzed with LC-DAD-MS to better understand the reactions that may happen in insect gut. New compounds found from petals broaden compound library of the group and our insight what kind of roles ellagitannins can have in plants. Papers to be included in the PhD thesis Tuominen, A., Toivonen, E., Mutikainen, P., Salminen, J.-P Phytochemistry 95: Tuominen, A., Phytochemistry 95: Tuominen, A., Sinkkonen, J., Karonen, M., Salminen, J.-P., Phytochemistry, Tuominen, A., Sundman, T., Phytochem. Anal. 24: Tuominen, A., Karonen, M Off-line 2-dimensional chromatographic analysis of proanthocyanidins in Geranium sylvaticum (Manuscript to be submitted to Phytochemistry) Tuominen, A., Salminen, J.-P., Seasonal and ontogenic variation of tannins and other polyphenols in Geranium sylvaticum (Manuscript to be submitted to Phytochemistry) 44

49 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät MUTANT APPROACH TO IDENTIFY DEFENSE- ASSOCIATED PLANT METABOLITES: NMR PROFILING OF ARABIDOPSIS THALIANA Tahereh Jafari Instrument Centre, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen Supervisor(s): Dr. Jari Sinkkonen and Dr. Saijaliisa Kangasjärvi Funding: Centre for International Mobility Estimated time of PhD dissertation: 2019 Main aims of the PhD research The main aim of the study is to reveal defense-associated metabolites with potential impact in biotic stress resistance in plant Arabidopsis thaliana. To this end, the metabolomes of wild type, constitutively defense-active pp2a-b γ mutant and a pp2a-b γ line complemented by 35S-driven expression of the PP2A-B γ gene will be compared by NMR. Depending on results first obtained, further analysis will be designed, e.g. using high light stressed or pathogen-infected plants and/or higher order mutants where additional signaling components have been mutated in the pp2a-b γ background (Figure 1). An additional aim of the study is to characterize as many metabolites from Arabidopsis as possible focusing especially to phenolic compounds and other secondary metabolites. Main results so far Various plant species respond to bacterial infections by producing a range of secondary metabolites that act as deterrents to prevent the pathogen from colonizing the host tissue. In cruciferous plants, like the model plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis; mouse ear cress), methionine serves as a precursor for glucosinolates, which confer resistance against herbivores and pathogens. Glucosinolates may also be applicable in biotechnology, since they affect the taste of cruciferous crops and have medicinal activity in humans by inhibiting carcinogenesis. Due to the tremendous diversity of plant metabolites, comprehensive view to defense-inducible plant metabolites and their possible impact in biotechnology and medicine, however, remains to be established. In this study, we will utilize the pp2a-b γ mutant and NMR spectroscopy for detailed view to defense-active metabolites in Arabidopsis. I have started my work at the beginning of October. So far I have learned to use NMR spectrometer and made a lot of testing about the best extraction protocol. I have also done preliminary measurements for wild type and mutant plant materials and found differences with them. I have identified some of the metabolites from NMR spectra. I have grown a large number of plants to make the systematic and statistically valid conclusions, and at the moment I am doing NMR measurements from the plant samples. 45

50 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 1. Aradopsis thaliana. Left wild type; right mutant; upside high light; downside growth light. The significance of my research for the research group and the whole research field Identification of bioactive compounds from plants is drawing increasing attention worldwide. This study will utilize Arabidopsis to identify novel defense active metabolites. Once the most interesting candidates have been identified, Arabidopsis offers a powerful system for follow-up studies where the underlying biosynthetic enzymes and their metabolic interactions can be identified. On the chemical side of the work, the candidate metabolites may be isolated and thereafter assessed for their chemical properties and potential biotechnological importance. Papers to be included in the PhD thesis I have started my PhD work few months ago. Therefore I have not got all results for my first paper yet. However as soon as I achieve the results, I will start to write my first manuscript. 46

51 Kemian kevät 2015 Bio-orgaaninen kemia tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit 2 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja 2 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja 11 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja sekä Radiokemia, PET-keskus 1 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja 4 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja 47

52 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät BIOMOLEKYYLIEN KEMIAA Prof. Harri Lönnberg Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto s-posti: Bio-orgaanisen kemian tutkimus on keskittynyt nukleiinihappojen kemiaan. Keskeisimpinä tutkimuksen kohteina ovat oligonukleotidit ja niiden konjugaatit, siis oligonukleotidit, joihin on kovalenttisesti sidottu niille vieraita rakenneosia. Tavoitteena on ymmärtää miten nukleiinihappoja voidaan tunnistaa ja niiden rakennetta manipuloida, sekä miten suunnitella ja valmistaa oligonukleotidien konjugaatteja solubiologian ja lääkekehityksen tutkimusvälineiksi. RNA:n tunnistus Proteiinisynteesiä ohjaavien lähetti-rna molekyylien ohella genomi tuottaa runsaasti ns. eikoodaavia ribonukleiinihappoja. Näistä eniten tutkittuja ovat pienikokoiset mikrorna (mirna) molekyylit, jotka osallistuvat geeni-ilmentymän säätelyyn, mutta erittyvät myös verenkiertoon toimien siis biologisina merkkiaineina. Niiden rakenne on hiusneulamainen kaksoiskierre, jossa on lisäksi yksi tai useampia pullistumia. mirna:sta ja niitä rakenteellisesti muistuttavista viraalisen RNA:n osista on tullut uusi lääkekehityksen kohde. Rakenteiden tunnistus perinteisellä kaksoiskierteen muodostumiseen perustuvalla hybridisaatiodiagnostiikalla ei ole mahdollista, koska oligonukleotidit eivät useinkaan pysty avaamaan kaksoiskierteistä rakennetta. Joidenkin pienimolekyyliyhdisteiden, kuten eräiden aminoglykosidien, tiedetään sitoutuvan RNA:n silmukoihin ja pullistumiin jopa nanomolaarisissa konsentraatioissa. Sitoutuminen ei kuitenkaan ole niin valikoivaa, että sitä voitaisiin hyödyntää kemoterapiassa. Konjugoimalla aminoglykosideja emäsjärjestyksen tunnistaviin rakenteeltaan muokattuihin oligonukleotideihin, kuten peptidinukleiinihappoihin, pyritään riittävään selektiivisyyteen. Vuorovaikusta RNA:n kanssa tutkitaan NMR-spektroskooppisesti käyttämällä 19 F-leimattuja koettimia. Vaihtoehtoinen tapa lisätä koettimen affiniteettia mirna:han on korvata yksi tai useampi koettimen emäsosista voimakkaasti metalli-ioneja sitovalla analogilla, jolloin metalli-ionin välittämä koordinatiivinen sitoutuminen lisää muodostuvan kaksoiskierteen pysyvyyttä. Kun metalli-ionina käytetään Pt 2+ -ionia, jonka ligandien vaihtoreaktiot ovat erittäin hitaita, muodostuu juosteiden välille pysyvyydeltään kovalenttista sidosta vastaava sidos. Kuva 1. Ko-operatiivinen sitoutuminen, jossa toteutuu yhtäaikainen pienmolekyylin sitoutuminen ja hybridisaatio. Luonnolliset emäsparit voidaan korvata myös kenotekoisilla metalliionivälitteisillä emäspareilla. Syntyvät kompleksit ovat optimitapauksessa luonnollisten rakenteiden mukaisesti sekvenssispesifisiä, mutta huomattavasti pysyvämpiä. 48

53 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Oligonukleotidilääkkeiden kohdentaminen Oligonukleotideja muokataan lääkkeiksi sairauksiin, joita ei kyetä hoitamaan perinteisillä pienimolekyylisillä lääkkeillä. Voidaanko oligonukleotidilääkkeiden kulkua elimistössä ohjata haluttuun elimeen tai kasvaimeen liittämällä niihin kemiallisia osoitelappuja, jotka kykenevät tunnistamaan erilaisten solujen pintarakenteita? Tätä pyritään selvittämään konjugoimalla oligonukleotideja erilaisiin hiilihydraatti-, peptidi- ja bis(fosfonaatti) rakenteisiin, leimaamalla konjugaatit positroniemittoreilla ja seuraamalla niiden kulkua koe-eläimessä yliopiston PETkeskuksessa (PET = positroniemissiotomografia). Kuva 2. Voidaanko oligonukleotidilääkkeiden kulkua elimistössä ohjata liittämällä niihin kemiallisia osoitelappuja, jotka kykenevät tunnistamaan erilaisten solujen pintarakenteita. Antiviraalisten lääkkeiden soluun otto Nukleotidien rakenneanalogit ovat potentiaalisia viruslääkkeitä. Niiden tehokkuutta rajoittaa kuitenkin heikko tunkeutuvuus solukalvon läpi. Aihiolääkestrategioiden tarkoituksena on viedä lääke soluun johdoksena, joka helposti läpäisee solukalvon ja vapautuu sitten entsyymien vaikutuksesta solun sisällä. Vaihtoehtoisesti suojatun johdoksen hydrolyyttinen pysyvyys voidaan räätälöidä sellaiseksi, että ionisen lääkkeen vapautuminen tapahtuu ei-entsymaattisesti pääosin soluun oton jälkeen. Erityisesti oligomeeristen nukleotidien tapauksessa on tarkoituksenmukaista käyttää näiden kahden lähestymistavan kombinaatiota, koska entsyymien kyky hyväksyä aihiolääke substraatikseen alenee nopeasti negatiivisen varauksen kertyessä molekyyliin. Kuva 3. Aihiolääkestrategioiden tarkoituksena on viedä lääke soluun johdoksena, joka helposti läpäisee solukalvon ja vapautuu sitten entsyymien vaikutuksesta solun sisällä. 49

54 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät RNA:n pilkkominen: mekanismeista sovelluksiin Kun RNA:n rakenteen tunnistavaan koettimeen liitetään fosfodiesterisidoksen hydrolyysiä katalysoiva rakenne, saadaan keinotekoinen entsyymi, joka pilkkoo kohde RNA:n ja irtoaa sitten sitoutuakseen seuraavaan kohdemolekyyliin. Stoikiometrinen tunnistus muuttuu näin katalyyttiseksi. Tutkimalla yksityiskohtaisesti kineettisin menetelmin RNA:n fosfodiesterisidoksen hydrolyysin mekanismia ja sen nopeuteen vaikuttavia tekijöitä pyritään kehittämään pienimolekyyliyhdisteitä, jotka entistä tehokkaammin pilkkovat RNA:ta. Kuva 4. RNA:n pilkkominen: mekanismitutkimusta keinotekoisten entsyymien kehittämiseksi Oligonukleotidien synteesi liukoisella kantajalla Oligonukleotidien käytön yleistyminen lääkekehityksessä ja nanoteknologiassa on luonut tarpeen valmistaa niitä entistä suuremmassa mittakaavassa. Yhtenä kustannustehokkaana vaihtoehtona on kiinteän kantajan korvaaminen liukoisella kantajalla, joka voidaan jokaisen kytkentäsyklin jälkeen helposti saostaa siten, että monomeeriset reagenssit jäävät liuokseen, tai ne voidaan erottaa kantajasta nanosuodatuksella orgaanisessa liuottimessa. Tutkimus keskittyy ryhmän aikaisemmin kehittämän tetrapodaalisen kantajan käyttöön, joka voidaan kvantitatiivisesti saostaa metanolilla. Kuva 5. Lyhyen oligonukleotidin suuren mittakaavan synteesi saostettavalla kantajalla. 50

55 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO JA HYÖTYKÄYTTÖ Asmo Aro-Heinilä Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Fossiiliset polttoaineiden käyttö on mahdollistanut ihmiskunnan nopean teollisen kehittymisen nykytasolleen. Näiden polttoaineiden käytössä on hyötyjen lisäksi myös ongelmia; raaka-aine varojen rajallisuus ja poltosta aiheutuvat suuret hiilidioksidipäästöt. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut teollisuusajan alun 270 ppm:stä nykyiseen 400 ppm:ään. Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, joten pitoisuuden nousun uskotaan olevan yhtenä syynä ilmastonmuutokseen. [1] Kasvavassa väestössä hiilipohjaisten tuotteiden, kuten muovien, lääkkeiden ja liikennepolttoaineiden, tarve tulee kokoajan nousemaan. Fossiilisten polttoaineiden rajallisuuden ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun hillitsemisen takia on kehitelty erilaisia menetelmiä kerätä hiilidioksidia talteen ja jatkojalostaa siitä tarvittavia hiilipohjaisia tuotteita. Kuva 1. Antropogeeninen eli ihmisperäinen hiilen kierto. [1] KK Tässä tutkielmassa esitellään hiilidioksidin talteenottomenetelmiä suoraan ilmasta ja konsentroiduista lähteistä. Lisäksi tutkielmassa käsitellään talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttöä muuntamalla se metanoliksi. Metanoli soveltuu tähän tarkoitukseen hyvin, koska se on yksinkertainen yhdiste, jota on helppo valmistaa CO 2 :n hydrogenaatiolla. Tuotetulle metanolille löytyy myös paljon käyttökohteita, sillä se soveltuu hyvin polttoainekäyttöön ja se on yksi tärkeimmistä kemianteollisuuden orgaanisista raaka-aineista. Viitteet 1. Goeppert, A., Czaun, M., Jones, J,Surya Prakash, G. K., Olah, G. A., Chem. Soc. Rev. 2014, 43,

56 Kemian kevät 2015 LuK-tutkielmat MIKRORNA BIOLOGISEN SÄÄTELYN JA HAVAINNOINNIN KOHTEENA Antti Äärelä Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto MikroRNA:iksi (mirna) kutsutaan yksijuosteisia noin 22 nukleotidia pitkiä ei koodavia RNAketjuja. Ne osallistuvat geenien ilmentymisen säätelyyn vaikuttamalla translaatioon sekä edistämällä lähetti-rna:n hajoamista [1]. MikroRNA:ta esiintyy verenkierrossa [2] ja on esitetty, että seerumin mirna-profiilia voitaisiin käyttää erilaisten tautitilojen diagnosointiin eiinvasiivisesti. Nykyiset mirna:n polymeraasiketjureaktioon perustuvat kvantifiointimenetelmät ovat kuitenkin hitaita ja verrattain kalliita. Tämän vuoksi onkin tarpeen kehittää uusia edistyneempiä analyysimenetelmiä mirna:n havaitsemiseksi. Kemialliset koettimet mirna:n havaitsemiseksi ovat usein yksijuosteisia oligonukleotideja, jotka ovat kiertyneet silmukalliseksi kaksoiskierteeksi. Oligonukleotidiin on liitetty fluoresoiva ilmaisin, jonka fluoresenssi aktivoituu kohde mirna:n pariutuessa koettimen kanssa. Koettimen havainnointiherkkyyttä voidaan tehostaa entsymaattisesti. Myös nanopartikkeleja, kuten grafeenioksidia tai kultaa, voidaan käyttää apuna mirna:n havainnoinnissa. MikroRNA:lla on myös terapeuttista potentiaalia. Jos mirna:n rooli sairauden kulussa tiedetään, voidaan sen esiintymistä ja toimintaa säätelemällä hoitaa sairautta. Synteettisiä mirnamolekyyleja voidaan käyttää myös vaikuttamaan suoraan geenien toimintaan esimerkiksi syöpäsairauksien yhteydessä. Synteettisiin mirna-molekyyleihin on kuitenkin tehtävä rakennemuunnelmia tehokkuuden ja pysyvyyden lisäämiseksi. MikroRNA:n toimintaa voidaan säädellä synteettisillä oligonukleotideilla. Nämä niin sanotut antisense-oligonukleotidit estävät mirna:n normaalia toimintaa pariutumalla sen kanssa tai hajottamalla sitä. Antisene oligonukleotidien hybridisaatioaffiniteettia ja spesifisyyttä voidaan parantaa muokkaamalla niiden rakennetta. [3] Kuva 1. Orgaaniseen fluoroforiin perustuvan koettimen toimintamekanismi. Viitteet 1. Bartel, D. P, Cell, 2009, 136, Chen, X., Ba,Y., Ma, L., Cai, X., Yin, Y., Wang, K., Guo, J., Zhang, Y., Chen, J., Guo, X., Li, Q., Li, X., Wang, W., Zhang, Y., Wang, J., Jiang, X., Xiang, Y., Xu, C., Zheng, P., Zhang, J., Li, R., Zhang, H., Shang, X., Gong, T., Ning, G., Wang, J., Zen, K., Zhang J., Zhang, C. Y., Cell Res., 2008,18, Li, J., Tan, S., Kooger, R., Zhang, C., Zhang, Y., Chem. Soc. Rev., 2014, 43,

57 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt UDP-RIBOOSIN JA UDP-FRUKTOOSIN PILKKOUTUMINEN METABOLISISSA PROSESSEISSA Juho Jaakkola 1 *, Satu Mikkola 1, Petri Tähtinen 2 1 Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, 2 Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto *juhjaa@utu.fi Abstrakti Erikoistyöni tavoitteena oli tutkia kahta sokerinukleotidia: UDP-riboosia (1) ja UDP-fruktoosia (2) sekä näiden pilkkoutumista. Pilkkoutumisolosuhteet pyrittiin säätämään mahdollisimman lähelle metabolisia olosuhteita käyttäen laimeita happoja ja emäksiä. Työn tarkoituksena oli saada lisätietoa näiden kahden sokerinukleotidin käyttäytymisestä ihmisen elimistössä, jonka avulla voitaisiin mahdollisesti tulevaisuudessa kehittää uusia ja tehokkaampia syöpälääkkeitä. Pilkkoutumistuotteina havaittiin esimerkiksi UMP:n (4) ja UDP:n (5) kaltaisia yhdisteitä sekä pienissä määrin erilaisia riboosin ja fruktoosin pilkkoutumistuotteita. Huomioitavaa on se, että UDP-fruktoosin (2) mittaukset ehdittiin suorittaa ainoastaan emäksisissä olosuhteissa eikä happamissa. 1 2 Kuva 1. UDP-riboosi (1) ja UDP-fruktoosi (2) Johdanto Tutkijat ovat jo vuosia kiistelleet hiilihydraattien käytöstä ruokavaliossa, sillä niiden on havaittu aiheuttavan esimerkiksi liikalihavuutta ja diabetesta [1]. Siitä huolimatta, hiilihydraatit ovat yksi tärkeimmistä ruokaryhmistä elimistössämme, sillä elimistömme pystyy nopeasti vapauttamaan niistä energiaa. Energiaa tarvitaan kehossamme esimerkiksi kasvuun, lihastyöhön, lämmön ylläpitämiseen, aineenvaihduntaan sekä hermoston ja elinten toimintaan. Hiilihydraatit ja niiden hajoamistuotteet vastaavat näiden toimintojen lisäksi solujen tiedonkulusta, jonka takia niitä on alettu käyttämään uudenlaisten syöpälääkkeiden kehittelyssä. Sokerinukleotidit ovat hiilihydraattien hajoamisesta syntyviä yhdisteitä, jotka vastaavat elimistössä erilaisista sokeriaineenvaihdunnan toiminnoista sekä tuottavat elimistölle energiaa. Sokerinukleotidit ovat monosakkaridien aktivoituja muotoja. Tässä erikoistyössä riboosi ja fruktoosi olivat monosakkareita, jotka on aktivoitu nukleotidillä nimeltä uridiini (Kuva 1). Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole tutkittu UDP-riboosin (1) ja UDP-fruktoosin (2) pilkkoutumista vaan on keskitytty tarkemmin muihin samankaltaisiin yhdisteisiin [2]. Esimerkiksi UDP-glukoosin on jo havaittu osallistuvan glykogeenin synteesiin ja galaktoosin aineenvaihduntaan sekä olevan osa aineenvaihduntamme glykosyyli transferaasi reaktioita. Jotta tulevaisuudessa UDP-riboosia (1) ja UDP-fruktoosia (2) voitaisiin hyödyntää paremmin lääkekehityksessä, täytyy niiden pilkkoutumista ymmärtää paremmin. Näiden syiden takia myös tämä erikoistyötutkimus oli erittäin tärkeää. 53

58 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt Materiaalit ja menetelmät Kineettiset mittaukset suoritettiin BECKMAN COULTER P/ACE TM MDQ kapillaarielektroforeesilla. Kapillaarielektroforeesin lisäksi pilkkoutumistuotteita analysoitiin 1 H ja 31 P NMR:n avulla käyttäen Bruker 500 MHz laitteistoa sekä massamittauksilla käyttäen Agilentin 6120 kvadrupoli LC/MS massaspektrometria. Tulokset ja johtopäätökset UDP-riboosin (1) ja UDP-fruktoosin (2) pilkkoutuminen emäksisissä olosuhteissa tuotti hajoamistuotteina UMP:tä (4) ja UDP:tä (5). Molemmissa tapauksissa päätuotteena näistä kahdesta hajoamistuotteesta oli UMP (4), jota syntyi reaktion loppuvaiheessa vielä lisää UDP:n (5) hajoamisen kautta. UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen happamissa olosuhteissa tuotti hyvin samankaltaisia hajoamistuotteita kuin pilkkoutuminen emäksisissä olosuhteissa (Kaavio 1). Kaavio 1. UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen emäksisissä ja happamissa olosuhteissa UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen tapahtui emäksessä aina riboosin avoketjuisen muodon kautta (3) ja lopulta pilkkoutumistuotteina havaittiin yhdisteiden 4 ja 5 lisäksi riboosi-enoni (6) sekä vapaa fosfaatti (7). UDP-riboosin (1) pilkkoutumisen merkittävänä erona UDP-glukoosiin oli se, että UDP-glukoosi tuotti happamissa olosuhteissa päätuotteena UDP:tä (5), kun taas UDP-riboosi tuotti aina UMP:tä (4). UDP-fruktoosin (2) pilkkoutuminen tuotti yhdisteiden 4, 5, 6 ja 7 kaltaisten hajoamistuotteiden lisäksi muita fruktoosin ja fosfaatin johdannaisia. Viitteet 1. Wrolstad R. E., Food Carbohydrate Chemistry 1. painos; Wiley-Blackwell, Huhta E., Parjanen A., Mikkola S., Carbohydr. Res., 2010, 345,

59 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt DNA-POHJAINEN ASYMMETRINEN HYBRIDIKATALYYSI DIELS-ALDER REAKTIOSSA Olli Moisio*, Pasi Virta Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Erikoistyössä tutkittiin DNA:n ja siihen sidotun Cu 2+ -ionin muodostamien hybridikatalyyttien kykyä toimia stereoselektiivisenä katalyyttinä Diels-Alder reaktiossa. Erityisesti tarkasteltiin puriinijuosteen Hoogsten-sivuun sitoutuvan kolmannen juosteen vaikutusta katalyysiin. Katalyytit muodostettiin supramolekulaarisesti kupari-bipyridyylikompleksin interkalaation kautta (I) ja sitomalla bipyridyyli kovalenttisesti modifioituun uridiinifosforamidiittiin (II). Reaktiotuotteiden stereomeerijakauman seuraamista varten määritettiin kiraalinen HPLC-systeemi. Parhaimmillaan hybridikatalyytin avulla saavutettiin 71%:n enantiomeerinen ylimäärä endo(+) -isomeerin suhteen. Kuva 1. DNA-pohjaisen hybridikatalyytin muodostus supramolekulaarisesti ja kovalenttisesti. Johdanto Voimakas stereoselektiivisyys ja kyky nopeuttaa reaktiota hyvin miedoissa reaktio-olosuhteissa ovat entsyymeille luonteenomaisia ominaisuuksia, jotka ovat erittäin haluttuja, mutta harvemmin saavutettuja ominaisuuksia myös synteettisten katalyyttien kohdalla. Proteiinipohjaisten entsyymien katalysoimien reaktioiden kirjo on synteettisiin katalyytteihin verrattuna kuitenkin varsin kapea. Hybridikatalyyttien avulla pyritään yhdistämään biopolymeerien stereoselektiiviset ominaisuudet ja siirtymämetallikatalyyttien monipuolisuus. DNA:n ikoninen, oikeakätinen kaksoiskierre on hyvä esimerkki toisesta luonnon tarjoamasta kiraalisesta biopolymeeristä, jonka kykyä toimia stereoselektiivisyyden lähteenä on viime vuosina tutkittu useiden orgaanisten reaktioiden kohdalla 1. Erikoistyön hybridikatalyytissä yhdistyvät asymmetrisyyden lähteenä toimiva DNA, sekä substraatin, eli katalyysin kohteen sitova, reaktiota nopeuttava siirtymämetallikeskus (Cu 2+ ) Tutkimuksessa hyödynnettiin sekä synteettistä, että luonnollisista lähteistä saatavaa DNA:ta ja kahta eri menetelmää Cu 2+ -katalyytin liittämiseksi rakenteeseen. 55

60 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt Materiaalit ja menetelmät Spesifiset DNA-sekvenssit syntetisoitiin fosforamidiittisynteesillä Applied Biosystemsin 3400 DNA-syntetisaattorilla ja karakterisoitiin MS-spektroskopisesti. Erikoistyössä käytetty luonnollinen DNA (st-dna:n natriumsuola) on Sigma-Aldrichin kaupallinen tuote. Diels-Alder -reaktion stereomeerijakaumaa seurattiin normaalifaasikromatografisesti isokraattisella virtauksella (1-5% isopropanoli/heksaani) Phenomenexin kiraalisella Lux Cellulose-1 -kolonnilla. Tulokset ja johtopäätökset Kuparikatalysoitu Diels-alder reaktion reaktioseos tuotti vedessä ilman DNA:n läsnäoloa oikealla esitetyn kromatogrammin (1% iproh/heksaani) mukaisen stereomeerijakauman (95:5 endo/exo, 1:1 +/-). Supramolekulaarisesti muodostettu katalyytti (ON 1) tuotti 71% enantiomeerisen ylimäärän endo(+)-isomeerin suhteen. Kolmannen DNA-juosteen lisääminen katalyytin rakenteeseen (ON 2) alensi ylimäärän 19 %:iin. Luonnollisen, kokeen kannalta satunnaisen sekvenssin omaava st-dna tuotti 15% enantioylimäärän. Heikomman streoselektiivisyyden arveltiin johtuvan sen sisältämän natriumin kaksoiskierrettä stabiloivasta vaikutuksesta. Jatkotutkimuksia varten syntetisoitiin jodouridiinista bipyridyylimodifioitu fosforamidiitti, jota käytettiin onnistuneesti rakennusosana DNAkiinteäkantajasynteesissä. Kuva 2. DA reaktion kromatogrammi (ei DNA:ta). Taulukko 1. Stereomeerijakauma erilaisille hybridikatalyyteille. Oligonukleotidi endo/exo endo + [% ee] Ei DNA:ta 95:5 ei ylimäärää st-dna (natriumsuola) 96:4 15 ON 1: 98:2 71 ON 2: 97:3 19 Reaktio-olosuhteet: 2.0 mm DNA (emäsparien suhteen), 0,33 mm [Cu(bipy)(NO 3 ) 2, 1 mm dienofiili ja 15 mm syklopentadieeni MOPSpuskurissa (20 mm, ph 6,5). *ON2: Kakodylaattipuskuri (20 mm, ph 5.0) Kuva 3. Jodouridiinista johdettu katalyytti, jossa kovalenttisesti sidottu bipyridyyli. Viitteet 1. Park, S.; Sugiyama, H. Angew. Chem. Int. Ed , 49,

61 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät METAL CHELATES ENHANCING OLIGONUCLEOTIDE HYBRIDISATION Oleg Golubev Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Tuomas Lönnberg Funding: National Graduate School of Organic Chemistry and Chemical Biology; University of Turku research grant fund; Turun yliopistosäätiö. Estimated time of PhD dissertation: 12/2015 Main aims of the PhD research The objective of the PhD research is to develop metal-ion-binding surrogate nucleosides, the base moieties of which serve as tridentate ligands for soft metal ions and the resulting complexes bind tightly and selectively to natural nucleic acid bases within nucleic acids. Incorporation of such surrogate nucleosides to oligonucleotides hopefully leads to short oligonucleotide probes that hybridize with native DNA or RNA oligonucleotides with an enhanced affinity, while retaining the high sequence specificity of the natural nucleic acids. Such probes would be particularly useful in recognition of short non-coding RNAs, such as micro-rna that gain ever increasing interest as a biomarker and target of drug development. Main results so far Screening for potential metallo-nucleobases by NMR titrations. Screening for potential metallonucleobases by NMR titrations. Four metal-ion-binding nucleosides, viz. 2,4-bis(3,5-dimethyl-1Hpyrazol-1-yl)-5-(β-D-ribofuranosyl)pyrimidine (1), 2,4-bis(1-methylhydrazinyl)-5-(β-Dribofuranosyl)-pyrimidine (2), 2,6-bis(1-methylhydrazinyl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (3), and 6-(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (4) have been synthesized (Fig.1). The ability of these nucleosides and the previously prepared 2,6-bis(3,5-dimethyl-1Hpyrazol-1-yl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (5) to form Pd 2+ mediated complexes with canonical nucleosides and nucleoside 5 -monophosphates has been studied by 1 H NMR spectroscopy [1,2]. Fig. 1. Structures of the metal-ion-binding nucleosides 1-5 used in the present studies. 57

62 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät To learn more about the underlying principles of metal-ion-mediated recognition of nucleic acid bases, chlorido complexes of 6-11 were prepared (Fig.2) and their interaction with nucleoside 5 monophosphate (NMP) has also been investigated by 1 H NMR spectroscopy. In all cases, the binding sites within the nucleobases were assigned on the basis of Pd 2+ induced changes in chemical shifts of the base moiety proton resonances. The selectivity obtained by varying the hydrogen bonding properties and size of the ortho-substituents of Pd 2+ -bound pyridine ligands was rather modest [3]. Fig. 2. 2,6-Disubstituted pyridine Pd 2+ complexes used to study the discrimination of nucleobases by metal-ion-mediated base-pairing. Metal-ion-mediated hybridization of modified oligonucleotides. The potential of three modified purine bases, namely, 6-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)purine, 2-(3,5-dimethylpyrazol-1- yl)hypoxanthine, and 2-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)adenine were incorporated in the middle of 9- mer 2 -O-methyl oligonucleotides and the hybridization of these modified oligonucleotides with their unmodified counterparts studied by UV and CD spectrometry in the absence and presence of Cu 2+ or Zn 2+ [4]. All of the modified oligonucleotides formed more stable duplexes in the presence of divalent metal ions than in the absence thereof, but with different preferences for the complementary oligonucleotide. The objective of the final part of my PhD studies is to find metal ion complexes that could discriminate between natural nucleobases upon double helix formation, oligonucleotides carrying a Pd 2+ ion with vacant coordination sites at a predetermined position will be synthesized and their affinity to complementary as well as mismatched counterparts quantified by UV-melting measurements. In the first stage, the most promising candidates of the monomer studies 6-11 will be converted into phosphoramidite building blocks, which are then introduced into oligonucleotides on solid support. For more facile synthesis of these modified building blocks, GNA, rather than DNA or RNA, backbone will be used in these studies. The significance of my research for the research group and the whole research field Non-coding RNAs, in particular micrornas (mirna) are emerging as novel targets of diagnostics and chemotherapy. Owing to the short length and stable double helical hairpin structure, their recognition and/or intervention of their biological action by conventional hybridization by Watson- Crick base-pairing is not possible. My studies bring basic information about the feasibility of enforcing the sequence selective hydridization by exploitation of metal-ion-binding surrogate bases within the oligonucleotide probes, in particular about the use of Pd 2+ -mediated binding for the purpose. Papers to be included in the PhD thesis 1. O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, J. Inorg. Biochem., 2014, 139, O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, Molecules 2014, 19, S. Taherpour, O. Golubev and T. Lönnberg,. J. Org. Chem., 2014, 79,

63 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät IMPROVED 19 F NMR SENSORS FOR THE CHARACTERIZATION OF DNA AND RNA SECONDARY STRUCTURES AND OF THEIR COMPLEXES WITH NOVEL DRUG CANDIDATES Lotta Granqvist Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku ltgran@utu.fi Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Pasi Virta Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences Estimated time of PhD dissertation: 2017 Main aims of the PhD research 19 F NMR spectroscopy is a promising tool for the characterization of molecular interactions, secondary structural arrangements, and their dynamics in oligonucleotides. 19 F NMR spectroscopy gives quantitative information about molar ratios of the secondary structural species and it usually is clearly superior for the detection of processes, which are too dynamic in spectrophotometric terms. The goals of this research project are (1) to develop novel high-fluorine-content sensors, which reliably detect RNA and DNA secondary structures at micromolar concentrations, (2) to apply these sensors for the characterization of molecular interactions involved in RNA and DNA and (3) to use this knowledge for the design of novel RNA and DNA targeting molecules. Main results so far A fluorine sensor (1) for DNA has been synthesized and it's applicability in an automated DNA/RNA-synthesis has been verified. This sensor bears three magnetically equivalent fluorine atoms, which don't couple to neighbouring protons, and hence the sensor allows 19 F NMR experiments to be performed at micromolar oligonucleotide concentrations. The sensor 1 is primaly designed for the detection of DNA secondary structures, which has been demonstrated by the 19 F NMR spectroscopic monitoring of DNA-triplex/duplex/single strand conversion (figure 1).The experiments with HIV-1 TAR model have shown that the sensor is informative also in the RNA environment. [1] Figure F NMR signals of sensor 1 in different DNA hybridization modes. 59

64 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät In addition, potential fluorine sensors for RNA have been synthesized, and the ongoing work is focused to the 19 F NMR-based detection of RNA secondary structures. The significance of my research for the research group and the whole research field One of the main interests of the laboratory is the applications of modified oligonucleotides or oligonucleotide-related oligomers. 19 F NMR spectroscopy gives an additional tool to characterize their interactions with RNA- or DNA-targets. The main advantage is the detailed information, which may be provided even in local environmental level. Our recent results have e.g. revealed new or unexpected information about the strand-invasion that takes place, when hairpin-type micrornas are targeted with an exterior single strand (i.e. an invader oligonucleotide). These results are significant in the field of oligonucleotide chemistry in general. Papers to be included in the PhD thesis 1. Granqvist, L. and Virta, P. J. Org. Chem. 2014, 79,

65 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät CELL SPECIFIC TARGETING OF THERAPEUTIC OLIGONUCLEOTIDES WITH COVALENT CONJUGATION Satish Jadhav Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Päivi Poijärvi-Virta and Dr. Pasi Virta Funding: Erasmus Mundus Action II (EXPERTS), Finnish Cultural Foundation, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences. Estimated time of PhD dissertation: 12/2015 Main aims of the PhD research Aim of the PhD research is the development of cells specific therapeutic oligonucleotide delivery methods by covalent conjugation. The major obstacle to the use of therapeutic RNAs is the internalization of the large anionic oligonucleotides across the plasma membrane of the cells. In PhD studies the applicability of the different receptor based strategies for cell-specific targeting and internalization of therapeutic oligonucleotides are studied: Carbohydrates, Bisphosphonate are conjugated to PET labelled oligonucleotides by covalent conjugation. Main results so far First project was the synthesis of multi-galactose-conjugated 2 -O-methyl oligoribonucleotides (fig. 1) and their in vivo imaging with positron emission tomography in rat. Protected 1,4,7- triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid (NOTA) precursor bearing a 4-[4-(4,4 - dimethoxytrityloxy)butoxy]phenyl side arm was first immobilized via a base labile linker to the support and the oligonucleotide was assembled on the detritylated hydroxyl function of this handle. One, three or seven galactopyranosides conjugated to 5 -terminus by coupling phosphoramidite building block bearing two phthaloyl protected aminooxy groups and one protected hydroxyl function. In vivo imaging in rats with PET showed remarkable galactose-dependent liver targeting of the conjugates 1. Figure 1. Structure of the tri and, hepta galactose -oligonucleotide conjugates A second project was the synthesis of hyaluronic acid oligosaccharides-ribonucleic acid conjugation (fig. 2) and their in vivo PET imaging in rat. Hyaluronic acid hexasaccharide had been prepared from HA disaccharides by using trichloroacetimidate activated glycosylation method and TMSOTf as a glycosylation activator. The critical deprotection step e.g. deprotection of trichloroacetyl amide functional group was carried out in ammonolysis reaction condition. We had synthesized the hyaluronic acid hexasaccharide, tetrasaccharide, and maltohexaose oligonucleotide conjugates with 61

66 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät NOTA ligand efficiently by using copper free clik reaction. In vivo PET imaging showed biodistribution of intravenously injected 68 Ga-NOTA-anti-miR-15b-conjugates varied notably with the structure. Results of this work will be submitted to journal very soon. Figure 2. Structure of the hyaluronic acid-oligonucleotide conjugates The third project is the synthesis of bone targeting bisphosphonate oligonucleotide conjugates (fig. 3). Bisphosphonate drug, alendronate azide derivate was prepared and subsequent copper free click chemistry for preparation of oligonucleotide conjugates is carried out. Currently the synthesis of both bisphosphonate oligonucleotides conjugates is completed and further studies of preclinical tests are in progress at Turku PET center and Dept. of Biomedicine, University of Turku. Figure 3. Structure of the Alendronate-oligonucleotide conjugates Fourth project, synthesis of chondroitin sulfate-fluorophore conjugates (fig. 4) and their binding/uptake studies in neuronal cells. Syntheses of CS tetrasacharide and disaccharide fluorophore conjugates are carried out by very efficient method using orthogonal copper free click reaction and their cellular uptake/binding in primary neuronal cell culture are studied. This manuscript is under preparation. Figure 4. Structures of the chondroitin tetrasaccharide-flurophore conjugate. The significance of my research for the research group and the whole research field In continuation of the research program at our research group for the development of oligonucleotide conjugation strategies, my research could produce orthogonal oligonucleotide conjugation methods with interest of various preclinical tests by using PET studies. Papers to be included in the PhD thesis 1. Mäkilä, J., Jadhav, S., Kiviniemi, A., Käkelä, M., Liljenbäck, H., Poijärvi-Virta, P., Laitala- Leinonen, T., Lönnberg, H., Roivainen, A., Virta, P. Bioorg. Med.Chem 2014, 22,

67 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät SOLID-SUPPORTED SYNTHESIS OF MULTIPODAL SCAFFOLDS FOR GLYCOTARGETING Marika Karskela Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Pasi Virta Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department of Chemistry, Instrument Center, Magnus Ehrnrooth Foundation, Turku University Foundation. Estimated time of PhD dissertation: 2016 Main aims of the PhD research I have studied methods to conjugate carbohydrates with other bioactive molecules, e.g. oligonucleotides and peptide structures. The main aim is to create conjugates that enable cell-type specific targeting and enhanced cell penetration of therapeutic compounds, driven by the selective binding between carbohydrates and cell surface sugar-binding proteins, lectins. Carbohydrate protein interactions are responsible for the initiation of numerous physiological processes. Synthetic carbohydrate clusters, i.e. glycoclusters, are potential tools for the utilization and modification of these recognition events. Synthetic clusters may also inhibit unwanted interactions in auto-immune diseases or block microbial infections on cell surface. Model compounds aim to mimic natural glycostructures that bind to protein receptors. Their binding properties can be modified through their chemical structures. Multivalency is generally preferred in nature and is required for high affinity and specificity. To synthesize glycoclusters, multifunctional building blocks, i.e. scaffolds are needed. Hence, other aim of this study was to develop such scaffolds to which several carbohydrates can be covalently attached. Particularly of interest was the controlled, orthogonal attachment of dissimilar carbohydrates to create heterotypic clusters. Main results so far Diverse multipodal scaffolds were synthesized to build homotypic and heterotypic glycoclusters. These clusters were further conjugated with oligonucleotides or peptide structures using oximation or peptide couplings. All glycoconjugates were synthesized entirely on solid support, followed by release and deprotection, RP HPLC purification, and MS & NMR (only peptide conjugates) characterization. The synthesis of oligonucleotide glycoconjugates involved either stepwise ligation of prefabricated glycoclusters to growing oligonucleotide chain (in 1, Fig. 1.) [1] or ligation of several disaccharides simultaneously (in 2) [2]. Prefabricated homotypic clusters in 1 were prepared using Cu(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition (i.e. click) reaction. Aldehyde-functionalized glucose and mannose clusters were ligated to the oligonucleotide chain through oximation with aminooxyfunctionalized nucleotide branching units.[1] Another approach utilized hyaluronan which is the main ligand for transmembrane glycoprotein CD44 that is overexpressed in many cancers. Hyaluronan disaccharides of 2 were studied as mediators of cellular delivery through receptor mediated endocytosis in vitro.[2] Disaccharides were ligated to chain using oximation. With this assembly only unspecific cellular entrance was detected although hyaluronan conjugates have been detected to increase the uptake of cancer drugs to cancer cells. 63

68 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät We have also developed various methods for the preparation of heterotypic glycoclusters. These have been synthesized using mainly peptide coupling chemistry to create structures with branched (in 3)[3] or cyclic (in 4)[4] peptide scaffolds. Also the aglycon moieties can contribute to high-affinity binding to lectins through peptide-peptide interactions. Hence, this creates an additional dimension to the diversity of the clusters. The branched glycocluster in 3 was further conjugated with a biotin ligand to allow convenient immobilization on avidin- or streptavidincoated surfaces.[3] The approach should be extendable to conjugation of the clusters with any aminooxy-functionalized compound. Figure 1. Structures of the glycoconjugates. Ligations with click reaction shown in blue color, oximation in orange, and peptide couplings of the sugar units in green. The significance of my research for the research group and the whole research field My research is part of our research program to develop cell specific delivery methods for therapeutic oligonucleotides. This study includes developing of methods and model compounds for the needs of basic research. Synthetic glycoclusters and their conjugates have been studied by several research groups during last decades but the synthesis of heterotypic clusters, containing dissimilar sugar units in same cluster, remains less studied. Papers to be included in the PhD thesis 1. Karskela, M., Helkearo, M., Virta, P., Lönnberg, H. Bioconjugate Chem. 2010, 21, Karskela, M., Virta, P., Malinen, M., Urtti, A., Lönnberg, H. Bioconjugate Chem. 2008, 19, Karskela, M., von Usedom, M., Virta, P., Lönnberg, H. Eur. J. Org. Chem. 2012, 33, Virta, P., Karskela, M., Lönnberg, H. J. Org. Chem. 2006, 71,

69 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät NUCLEOTIDES AS ANTIVIRAL COMPOUNDS: ON THE FEASIBILITY OF AN ESTERASE-DEPENDENT PRODRUG STRATEGY FOR 2-5A Emilia Kiuru Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Mikko Ora Funding: Alios Biopharma, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department of Chemistry Estimated time of PhD dissertation: 2015 Main aims of the PhD research Analogues of nucleotides and oligonucleotides constitute a promising class of therapeutic agents. The efficiency of phosphate based drugs, however, largely depends on the prodrug strategy used to enhance their cellular uptake. The basic idea with most of the prodrug strategies is that the negative charges of the phosphate groups are kept masked in plasma and restored by an enzyme-triggered removal of the protecting groups inside the cell. The primary aim of the thesis was to evaluate the feasibility of a prodrug strategy, based on esterase-labile protecting groups, for an antiviral compound called 2-5A, which is a short 2,5 -linked oligoribonucleotide. In spite of the success of the esterase-dependent prodrug strategies, they still suffer from one major shortcoming. The enzymatic deacylation is markedly retarded upon accumulation of negative charge on the substrate, which is the case with molecules having several phosphodiester linkages. Another general problem is that biodegradation of the prodrugs often releases potentially toxic by-products, for example, formaldehyde and electrophilic alkylating structures are typically formed. For these reasons, development of protecting groups, which are not dependent on enzymatic activation and do not liberate toxic compounds, appeared highly desirable. Main results so far Two different oligoadenylate trimers 1 and 2 (Figure 1.), protected with esterase-labile protecting groups, were synthesized as prodrug candidates for the short oligoribonucleotide 2-5A and the multistep release of 2-5A by carboxyesterases was studied.[3] In addition, measurements were made with protected adenylyl-2,5 -adenosines [2], and thymidine 5 -monophosphates [1] to optimize the structures of esterase-labile protecting groups. The protecting group scheme of the prodrug candidates was based on 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl group for the protection of the phosphate groups and acyloxymethyl groups for the protection of 3 -hydroxyl groups adjacent the phosphodiester linkages. The results demonstrated that the deprotection of 2-5A, bearing four esterase-labile protecting group, became significantly slower upon accumulation of negative charge. The 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl) propyl groups, did not function as protecting groups for the 5 -terminal phosphate and the 2-5A prodrug candidate I (1) was never converted to the desired 2-5A. The situation was markedly improved when the distance between the enzyme cleavage site and the negative charge was increased and a considerable proportion of 2-5A having a bis(3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl) protected 5 -terminal phosphate, was released from the 2-5A prodrug candidate II (2). The removal of the protecting groups still seemed to be too slow, leading to formation of several by-products. For the reason, a feasible prodrug strategy could be found on thermolabile protecting groups. The applicability of six novel 65

70 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät 2,2-disubstituted 4-acylthio-3-oxobutyl groups as protecting groups of phosphodiester linkages was studied.[4,5] Appropriately protected nucleoside 5 -methyl phosphates 3a-b, 4a-c and 5 were prepared as model compounds and the enzymatic and non-enzymatic removal of such groups was followed at ph 7.5 and 37 C. The protecting groups are cleaved by esterases, but they undergo thermolytic removal in case the enzymatic reaction becomes retarded. The branched structure allows tuning of the deprotection rate by varying the structure of 2-substituents. The released protecting groups did not form adducts with glutathione and thus, most likely are not markedly alkylating. The developed protecting groups are expected to be useful as protecting groups of oligonucleotides and compounds containing several phosphodiester linkages. Figure 1. Structures of the protected 2-5A trimers (1, 2) and nucleoside 5 -methyl phosphates (3-5). The significance of my research for the research group and the whole research field The research area of Bioorganic Group is focused on chemical biology of nucleic acids, among other things in the synthesis and characterization of structural analogues and conjugates of oligonucleotides, as well as investigation of their exploitation as therapeutics. My research contributes to the development of knowledge on the synthesis of novel antiviral prodrugs based on nucleotides and short oligoribonucleotides. The developed prodrugs having esterase- and thermolabile protecting groups may significantly enhance the therapeutic potential of such drugs by facilitating their cellular uptake. Papers to be included in the PhD thesis 1. Ora, M., Taherpour, S., Linna, R., Leisvuori, A., Hietamäki, E., Poijärvi-Virta, P., Beigelman, L., Lönnberg, H. J. Org. Chem. 2009, 74, Kiuru, E., Ora, M., Beigelman, L., Blatt, L., Lönnberg, H. Chem. Biodiversity 2011, 8, Kiuru, E., Ora, M., Beigelman, L., Blatt, L., Lönnberg, H. Chem. Biodiversity 2012, 9, Kiuru, E., Ahmed, Z., Lönnberg, H., Beigelman L., Ora, M. J. Org. Chem. 2013, 78, Kiuru, E., Lönnberg, H., Ora, M. Helv. Chim. Acta 2013, 96,

71 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät SOLUTION PHASE SYNTHESIS OF SHORT DEOXYOLIGONUCLEOTIDES ON PRECIPITATIVE TETRAPODAL SOLUBLE SUPPORT Vyacheslav Kungurtsev Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Pasi Virta and Prof. Harri Lönnberg Funding: Marie Curie Actions MEMTIDE, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences. Estimated time of PhD dissertation: 2016 Main aims of the PhD research The ultimate objective for the project was to make a paradigm shift in the technology used for the synthesis of oligonucleotides by coupling the organic solvent nanofiltration (the technique using membranes to discriminate between molecules present in homogeneous solution with novel soluble supports into a breakthrough technology membrane enhanced synthesis. The development of protocols to make novel soluble supports and new blockwise strategies for assembly of deoxyoligonucleotides on a soluble support allows to advance the use of solution phase synthesis of DNA oligomers. Main results so far The growing oligonucleotides, which are tetrahedrally branched from a pentaerythritol-derived core (Fig. 1 A), were found to precipitate virtually quantitatively from methanol; a feature that could be utilized as a purification step in the liquid-phase synthesis. Two precipitations are needed in each coupling cycle when using commercially available phosphoramidite building blocks: one after the oxidation step and the second after removal of the 5 -O-(4,4 -dimethoxytrityl) protecting group. Couplings using a small excess (1.5 equiv. of a nucleoside phosphoramidite per 5 -OH group) of the standard 5 -O-(4,4 -dimethoxytrityl)-protected phosphoramidite building blocks proved efficient, and purification of the products could be carried out by simple precipitation (over 90% of the products usually gained) in methanol. Ammonolysis gave nearly homogeneous nucleotide trimers (CCT, GCT, ACT) in ca. 70% yield and a pentamer (AGCCT) in 43% yield. A B Figure 1. Structures of the soluble supports developed The protocol employed still suffered from some minor side reactions, including traces of premature cleavage of the 2-cyanoethyl and benzoyl protecting groups and depurination of 2 -deoxyadenosine upon acidolytic removal of the 5 -O-(4,4 -dimethoxytrityl group. For these reasons, and to avoid the 67

72 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät oxidation step, the feasibility of phosphotriester chemistry using 3 -(1-benzotriazoly-1-yl 2- chlorophenyl) phosphotriesters as building blocks was studied. The method 5 is based on 1- methylimidazole promoted assembly of appropriately protected nucleoside 3 -(benzotriazol-1-yl 2- chlorophenyl phosphates. All small molecules are removed after each coupling and 5 -Odetritylation by precipitating the support with MeOH. On using 2 equiv. of building blocks per 5 - OH trimers (CCT, AAT, GGT, TTT) have been obtained in 70% isolated yield and pentamer (CGCAT) containing all four nucleosides in 55% isolated yield calculated according to UVabsorbance. Clustered nucleosides (1) have successfully been used as a support for the synthesis of short oligonucleotides in solution [2, 3]. The modular structure of the cluster allows varying both the linker and nucleoside parts. In order to meet the conditions at which the grown oligomer could be released in a fully protected form, hydroquinone-o,o -diacetic acid was exploited as a linker (Fig. 1 B). As a proof of concept, a thymidine-derived cluster was used as a soluble support for the synthesis of a CTT-trimer by the bisobtp based phosphotriester approach [4]. The support demonstrated excellent quantitative precipitation in MeOH and the desired cluster bearing CTT-trimer was obtained in high yield (87 %). The hq-linker is cleaved under very mild basic conditions allowing base protections to stay intact. However, when an analytical sample of the cluster bearing the protected CCT-trimer was treated with the proposed 0.05 M K 2 CO 3 in MeOH, not only the removal of benzoyl protections was observed, but phosphate linkages were cleaved as well. By decreasing the concentration of K 2 CO 3 by a factor of 10, the expected result was achieved. The DMT-C OBz TT- 3 -OH was obtained in a homogeneous form. Two clusters containing purine nucleosides, viz. fully protected 5 -TAT-3 and 5 -AGT-3, were then synthesized by the same bisobtp promoted phosphotriester approach. All three clusters were treated in bigger scale with M potassium carbonate in MeOH and the resulted DMT- C Bz TT, DMT-TA Bz T, DMT-A Bz G ibu T were quantitatively released and isolated by flash column chromatography in very high yields (95-99 %) in hundreds of miligrams scale. To test the applicability of the fully protected trimers as a building blocks in oligonucleotide synthesis, the DMT-TTA Bz was synthesized by the same phosphotriester method, cleaved with 0,005 M K 2 CO 3 in MeOH, phosphorylated with bisobtp and allowed to react with 1. The cluster obtained bearing the protected TTTA-tetramer was detritylated and the oligonucleotide was released and precipitated as a sodium salt in absolute ethanol. The nearly homogeneous 5 -ATTT-3 tetramer obtained in 67 % yield (according to UV) was analysed by RP HPLC and mass spectrometry. The significance of my research for the research group and the whole research field The developed novel soluble supports and synthetic protocols are useful for the production of short oligonucleotides on a scale of hundreds of milligrams without the need for any special equipment. Bearing in mind upcoming purification methods like OSN the methods allow nearly immediate implementation due to proposed very high rejection value for the soluble supports developed. Nowadays the need for fully protected trinucleotide-building blocks has arisen. They are required in oligonucleotide-directed mutagenesis and used to create combinatorial peptide or antibody libraries. Papers to be included in the PhD thesis 1. Molina, A.G.; Kungurtsev, V.; Virta, P.; Lönnberg, H. Molecules 2012, 17, Kungurtsev, V., Laakkonen, J., Molina, A. G. and Virta, P. (2013), Eur. J. Org. Chem., 2013, 29, Kungurtsev, V., Virta, P and Lönnberg H. (2013), Eur. J. Org. Chem., 2013, 35, Kungurtsev, V., Lönnberg H. (2015) Synthesis and application of deoxytrinucleotide building blocks on precipitative soluble support (in progress). 68

73 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät CHEMICAL MODELS FOR RNA CLEAVAGE Luigi Lain Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Tuomas Lönnberg Funding: Marie Curie ITN, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department of Chemistry Estimated time of PhD dissertation: 11/2015 Main aims of the PhD research The work is aimed at improving our understanding on the mechanisms of RNA phosphodiester bond transesterification (Figure 1), and clarifying with the aid of chemical models the underlying principles of the catalysis of this reaction by ribozymes and protein enzymes. While the general course of the reaction has been known for decades, and widely studied due to its biological importance, the complex free energy landscape of the reaction is still not completely understood, and even less well as regards interactions with other chemical entities. Figure 1. Reactions of cleavage and isomerization at the RNA phosphodiester bond Main results so far In the first part of the work [1], a structurally modified dinucleotide, 1, was synthesized and its reactions studied over a wide ph-range. It was found that the aminomethyl groups at C4 of the 3 linked nucleoside by a rich and complex interaction with the phosphate group and/or the phosphorane intermediate resulted in very different rates of cleavage and isomerization for the two isomers, and even different mechanisms depending the protonation state of the amino groups. The highest rate acceleration was achieved with the 3 isomer at moderately alkaline ph (deprotonated amines), with a thousand-fold increase over the background rate of hydrolysis for the unmodified 69

74 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät dinucleotide uridylyl-3,5 -uridine (UpU). Mechanistic explanations for the observed changes in reaction rates were given. The second part [2] dealt with the buffer catalysis of UpU transesterification of amine buffers in 80% DMSO. In water, the hydroxide ion concentration of these buffers is much higher, and the specific base catalysis predominates over the buffer catalysis. DMSO suppresses the autoprotolysis of water, allowing one to study the catalysis by the buffers. Modest rate enhancements on the cleavage have been found. No direct correlation was observed between the pk a of the amines and their catalytical activity, but for the more acidic amines a completely different mechanism takes place. The data was compared to similar studies made on a nucleotide analogue having an aryl leaving group in place of the 5 -linked nucleoside. The third part [3] of the work is rather similar to the first part. For comparative purposes, the modified dinucleotide 2 was prepared and its reactions were studied over the whole ph range. The aim was to learn more about the nature of interaction of hydroxyl, amino and ammonium functions with the phosphorane intermediate: to what extent the observed rate-accelerations were caused by acid-base catalysis, hydrogen bonding, or electrostatic field effects. Surprisingly, the activity of 2 was only marginally different from that of UpU, which seems to rule out hydrogen bonding as the cause of intramolecular catalysis by ammonium groups. The fourth paper is as yet unpublished. The subject is the catalysis of UpU cleavage by cyclenbased cleaving-agents 3a and 3b. These compounds are previously known, but used only for complexing with Zn 2+. They turned out to have a surprisingly strong catalytic effect, with rate accelerations over four orders of magnitude. The mechanism hasn t been fully clarified, but there is strong support for one of the cyclens binding the uracil ring, with the other performing the catalysis; the isolated cyclens are catalytically inactive, and the transesterification is not catalyzed on adenosine. Given the serendipitous nature of the discovery, it is likely that such a catalytical activity can be further enhanced. Figure 2. Structures of some of the compounds used in the PhD work. For 1 and 2, the structural modifications introduced over a regular dinucleotide are marked in red The significance of my research for the research group and the whole research field My work provides new insight on the mechanisms of RNA transesterification catalyzed by acids and bases. It helps establishing how strategically placed amino groups interact with the phosphodiester bond. That knowledge increases our comprehension of how RNA-cleaving enzymes and ribozymes work, and is one more step towards artificial cleaving agents. Of particular impact towards that last goal may be the first and last papers, detailing strong rate accelerations which could have useful applications. Papers to be included in the PhD thesis 1. Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Chem. Eur. J. 2013, 19, Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem. 2015, 13, Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem. in press. 70

75 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät PRODRUG STRATEGIES OF ANTIVIRAL NUCLEOTIDES: STUDIES ON ENZYMATICALLY AND THERMALLY REMOVABLE PHOSPHATE PROTECTING GROUPS Anna Leisvuori Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Mikko Ora Funding: Alios BioPharma, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Magnus Ehrnrooth Foundation, Turku University Foundation. Estimated time of PhD dissertation: 2015 Main aims of the PhD research Many viral diseases are efficiently prevented with vaccines. Since it is difficult to develop a vaccine for viruses with high genetic variability, antiviral therapies based on other mechanisms are needed too. Antiviral nucleosides have proved their potential in the treatment of several viral infections, including HIV and hepatitis C virus. Once inside the cell, the antiviral nucleosides need to be phosphorylated to the nucleoside triphosphates by kinases to achieve the antiviral effect. However, the first phosphorylation to the nucleoside monophosphate often is inefficient, which leads to low antiviral activity. The first phosphorylation step can be bypassed by delivering the antiviral nucleoside directly as its protected monophosphate derivative i.e. applying a prodrug strategy. Many prodrug strategies are based on biodegradable protecting groups, esterase labile protecting groups in particular. Yet, several studies have demonstrated that, in case of esterase labile protecting groups, the rate of the removal of the second and subsequent protecting groups is significantly retarded. This is due to the negatively charged phosphodiester intermediate which is formed after the first protecting group is removed. The negative charge on the phosphorus disturbs the active site of the enzyme. The PhD research is aimed at studying biodegradable protecting group strategies of antiviral nucleotides where the issue of retardation could be avoided. Main results so far Several potential prodrug candidates of antiviral nucleosides have been synthesized and the removal rate of the biodegradable protecting groups has been studied. 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)- propyl, 3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl and pivaloyloxymethyl groups have been studied as biodegradable phosphate protecting groups of L-alanine methyl ester derived phosphoramidates (1, Fig. 1) [1], 5,5 -dinucleoside monophosphates (3) [2] and 3,5 -cyclic nucleosides (2) [3]. In the synthesized compounds, the second protecting group is cleaved by some other mechanism than esterase triggered activation or the structure of the prodrug requires only one protecting group. In addition, an esterase labile protecting group that is also thermally removable has been studied as protecting group of oligomeric phosphodiesters by synthesizing thymidine derived oligomers as model compounds (4, Fig. 1) [4]. The underlying idea of this protecting group is that in case the enzymatic removal severely slows down due to the negative charge accumulating on the molecule, the thermal removal mechanism will ensure the removal of the protecting group. All of the protecting groups were shown to undergo conversion to fully deprotected products in the presence of esterase. The enzymatical removal of 3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)- propyl group from nucleoside 5 -phosphoramidate was at least one order of magnitude faster than the removal of 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl group, thus making it more potential 71

76 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät biodegradable phosphate protecting group, but the removal rate is nevertheless rather slow. Of the three studied phosphate protecting groups, the 4-acetylthio-2,2-dimethylbutyl group, which is both enzymatically and thermally removable, seems most attractive. The protecting groups were cleaved from the studied oligomeric phosphodiesters enzymatically and were additionally cleavable nonenzymatically. The carboxyesterase catalyzed removal of the protecting group proceeded readily. Accumulation of the negative charge on the intermediates did not markedly retard the nonenzymatic removal of the protecting group. However, the rate of the thermal removal still is too slow to allow efficient protection of longer oligonucleotides and needs optimization. By increasing the electronegativity of substituents at C2, the thermal stability may be decreased. Figure 1. Structures of few of the synthesized compounds. The significance of my research for the research group and the whole research field The research field of the Bioorganic group is nucleic acid chemistry, e.g. studies on recognition and cleavage of RNA, targeting of oligonucleotides by covalent conjugations, large scale synthesis of oligonucleotides and prodrug strategies of nucleotides. Our research is multidisciplinary: the problems originate from biology and the solutions are tried to find with organic chemistry. Thus, understanding of both fields is required. The research included in the thesis is continuation of the previous studies on biodegradable protecting groups done in our laboratory since late 1990 s.the results accomplished in the thesis enable further development of prodrug strategies of nucleotides in our group. The antiviral drug field is highly commercial and the pharmaceutical companies interest is to keep their results of their own, but the thesis brings new knowledge for free use to the entire nucleic acid chemistry field and may on its part contribute to the development of more efficient antiviral drugs. Papers to be included in the PhD thesis 1. Leisvuori, A., Aiba, Y., Lönnberg, T., Poijärvi-Virta. P., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg, H., Org. Biomol. Chem., 2010, 8, Leisvuori, A., Ahmed, Z., Ora, M., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg, H., Arkivoc, 2012, 5, Leisvuori, A., Ahmed, Z., Ora, M., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg, H., Helv. Chim. Acta, 2012, 95, Leisvuori, A., Ora, M., Lönnberg, H., Eur. J. Org. Chem., 2014,

77 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät SYNTHESIS OF SHORT OLIGONUCLEOTIDES ON A SOLUBLE SUPPORT BY THE PHOSPHORAMIDITE METHOD Alejandro Gimenez Molina Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku algimo@utu.fi Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Prof. Harri Lönnberg and Dr. Pasi Virta Funding: 1) Marie Curie FP7; 2) UTUGS. Estimated time of PhD dissertation: Main aims of the PhD research The increasing demand of oligonucleotides for clinical trials and building blocks in nanotechnology has created a need for their large scale synthesis. Evidently a novel paradigm for the synthesis is needed to fulfil the demand in a cost effective manner. The aim of my PhD research is the solution phase synthesis of oligonucleotides using various methodologies based on chromatographic and precipitation techniques. For this purpose different soluble supports and novel protecting group strategies, including linkers have been developed. Main results so far The applicability of acetylated and methylated β-cyclodextrins as viable soluble supports for the synthesis of short 2 -oligodeoxyribonucleotides (DNA) in solution [1] was demonstrated by assembling a 3 -TTT-5 trimer and a 3 -TTCAT-5 pentamer. To simplify the coupling cycle, the 5 -O-(4,4 -dimethoxytrityl) protecting group was replaced with an acetal that upon acidolytic removal gave easily removable volatile products. Novel 5 -O-(1-methoxy-1-methylethyl)-protected building blocks were synthesized for this purpose and the hydrophobic cyclodextrin support allowed efficient coupling on using only 1.5 equivalent excess of the monomeric building blocks. In addition, rapid flash chromatographic purification after each coupling cycle and extractive removal of the support after ammonolytic deprotection of the oligomer gave nearly homogeneous products. Alternatively, the usefulness of a pentaerythritol-derived core [2] was demonstrated on the solution phase synthesis of various 2 -oligodeoxyribonucleotides trimers (5 -CCT-3, 5 -GCT-3, 5 -ACT-3 ) and a pentamer (5 -AGCCT-3 ). The growing oligonucleotides, which were tetrahedrally branched from a pentaerythritol-derived core, were found to precipitate virtually quantitatively from methanol. This feature was utilized as a purification step in the liquid-phase synthesis: one time upon the oxidation step and another time after the detritylation step. Couplings were carried out on using only a small excess (1.5 equivalents per free 5 -OH group) of commercially available phosphoramidite 5 -O-DMTr protected building blocks. Final ammonolysis gave nearly homogeneous trimers in approximately 70% yield and the pentamer in 43% yield. The precipitative tetrapodal pentaerythritol-derived soluble support was also applied to the solution phase synthesis of oligoribonucleotides (RNA) [3]. Novel 2'-O-(2-cyanoethyl)-5'-O-(1- methoxy-1-methylethyl) protected ribonucleoside 3'-phosphoramidites were prepared and their usefulness as building blocks in RNA synthesis demonstrated. As a proof of concept, a pentameric oligoribonucleotide, 3'-UUGCA-5', was synthesized. Similarly as before, couplings were carried out with 1.5 equivalents of the building block. In each coupling cycle, the small molecular reagents and byproducts were removed by two quantitative precipitations from MeOH. After completion of the chain assembly, the pentamer was released in high yields. 73

78 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Finally, a workable method for the preparation of short oligoribonucleotides from commercially available 5 -O-(4,4 -dimethoxytrityl)-2 -O-(tert-butyldimethylsilyl)ribonucleoside 3 -(2-cyanoethyl N,N-diisopropylphosphoramidite) building blocks on the tetrapodal soluble support [4] was developed. The coupling cycle consisted of 4,5-dicyanoimidazole promoted coupling in MeCN with 1.5 equiv. of the monomeric building block, conventional iodine oxidation and precipitation from water followed by flash chromatographic purification. Treatment with triethylamine, followed by ammonolysis and desilylation with Et 3 N(HF) 3 afforded the oligoribonucleotide pentamer 3 - UUGCA-5 in 46% overall yield. Figure 1. Structures of the soluble supports used for the synthesis of oligonucleotides in solution. The significance of my research for the research group and the whole research field The work described above contributes in the field of nucleic acid chemistry, in particular in the development of novel protocols for the large-scale solution phase synthesis of oligonucleotides. Since the quantities required for physico-chemical studies are often larger than what can be obtained by solid phase synthesizers, the significance of this work will be valuable for researchers who need to prepare such oligonucleotides in hundreds of mg scale in the laboratory without the use of any special equipment. Papers to be included in the PhD thesis 1. Molina, A. G.; Kungurtsev, V.; Virta, P.; Lönnberg, H. Molecules 2012, 17, Kungurtsev, V.; Laakkonen, J.; Molina, A. G.; Virta, P. Eur. J. Org. Chem. 2013, Molina, A. G.; Jabgunde, A. M.; Virta, P.; Lönnberg, H. Beilstein J. Org. Chem. 2014, 10, Molina, A. G.; Jabgunde, A. M.; Virta, P.; Lönnberg, H. Curr. Org. Synth. 2015, 12,

79 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät METAL-ION-BINDING OLIGONUCLEOTIDES: HIGH-AFFINITY PROBES FOR NUCLEIC ACID SEQUENCES Sharmin Taherpour Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor: Dr. Tuomas Lönnberg Funding: Academy of Finland and Department of Chemistry Estimated time of PhD dissertation: 9/2015 Main aims of the PhD research This study is aimed at developing modified oligonucleotides with enhanced affinity to their natural counterparts through metal-ion-mediated base pairing. The increasing number of biologically relevant short RNA targets creates demand for agents that are able to bind short nucleic acid sequences with high affinity and selectivity. For example, the single-stranded regions of mirna are too short for effective hybridization with unmodified oligonucleotides at physiological temperature. One way to achieve the desired strong hybridization could be the replacement of some of the natural Watson-Crick base pairs with stronger metal-ion-mediated base pairs between artificial and natural nucleobases. So far, however, nearly all of the metal-ion-mediated base pairs described in the literature have been formed between either two artificial or two natural nucleosides, making them unsuitable for this task. Main results 2,6-Bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)purine riboside (1) has been identified as a promising candidate for a metal-ion-carrying artificial nucleoside, both at the monomer level and within oligonucleotide assemblies. The stabilities of metal ion mediated base pairs were first studied by 1 H NMR titrations. The modified nucleobase (1) was found to form a highly stable, well-defined ternary complex with uridine and Pd 2+ at low micromolar concentrations (Fig. 1).[1] H1 (complex) H1 H5 (free and Urd) H H1 (complex) H5 (complex) A (free Urd) H5(complex) D B C x(complex) / a.u : Pd 2+ : U ppm [Urd] = [1] / mmol L -1 Figure 1. (A-C): 1 H NMR spectra of uridine (H5 and H1 ) at various concentrations of uridine, the artificial nucleoside (1) and Pd 2+ at ph 7.3. (A): [Urd] = [1] = 3.6 mmol L -1, [Pd 2+ ] = 2.52 mmol L - 1 ; (B): [Urd] = [1] = mmol L -1, [Pd 2+ ] = mmol L -1 ; (C): [Urd] = [1] = mmol L -1, [Pd 2+ ] = 0. (D): Mole fraction of uridine in complex as a function of the concentration of uridine and 1; ph =

80 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Stabilities of various oligonucleotide assemblies between native and modified oligonucleotides in the presence (or absence) of an equimolar concentration of Pd 2+, Zn 2+ or Cu 2+ were determined by the conventional method, viz. by measuring their melting temperatures. Within an oligonucleotide structure, the Cu 2+ (and, to a lesser extent, the Zn 2+ ) chelate of the modified nucleoside (1) was found to be stabilizing both at an internal [2-3] and, particularly, at a terminal position of RNA (Fig. 2).[2] All of the duplexes studied were CD-spectropolarimetrically verified to be of the canonical A- type. Figure 2. The effect of the Cu 2+ -mediated base pair between 1 (X) and uridine on the stability of short oligonucleotides. Biologically relevant RNA targets typically include several double-helical regions, giving rise to exceedingly convoluted UV melting profiles. To avoid this problem, hybridization of the metal-ionbinding oligonucleotides was also studied by incorporating a fluorescent nucleoside analog (pyrrolo-dc) in one strand of the putative duplex and quantifying the fluorescence intensity of this residue. The system was first calibrated with simple short double-helical oligonucleotides, the melting temperatures of which could be measured and interpreted unambiguously. In these duplexes, the drop of fluorescence intensity on hybridization correlated well with the thermal stability of the duplex.[4] To study metal-ion-promoted hybridization in a biologically more relevant system, the affinity of short metal-ion-binding oligonucleotides for the trinucleotide bulge motif of TAR RNA models was quantified by the fluorescence-based method. The fluorescent residue was placed at various sites of the TAR RNA models. The results obtained with these models were not as clear as those obtained with simple duplexes and, therefore, hybridization of the metal-ion-binding oligonucleotides with the desired target site could not be unambiguously established. It seems possible that even with the stabilizing effect of the metal-ion-mediated base pair, the affinity of the modified oligonucleotides for the very short target sequence remains too low. The significance of my research for the research group and the whole research field Metal-ion-mediated base-pairing of nucleic acids is gaining more and more interest owing to its potential applications in bio- and nanotechnology. Our research represents a new and growing field in our laboratory. The results will give tools and knowledge for targeting of short nucleic acid sequences. The intended application is recognition and selective inhibition of small non-coding RNAs but our results could also find use in DNA-based nanotechnology. Papers to be included in the PhD thesis 1. Taherpour, S., Lönnberg, T. J. Nucleic Acids: 2012, 2012, article ID Taherpour, S., Lönnberg, H., Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem., 2013, 11, Taherpour, S., Golubev, O., Lönnberg, T. J. Org. Chem., 2014, 79, Taherpour, S., Lönnberg, T. RSC Adv., 2015, 5,

81 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät APPLICATIONS OF HOOGSTEEN-FACE RECOGNITION OF DNA AND RNA DOUBLE HELICES Ville Tähtinen Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Harri Lönnberg Supervisor(s): Dr. Pasi Virta Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences Estimated time of PhD dissertation: 2018 Main aims of the PhD research Triplex-forming oligonucleotides (TFOs) have received considerable interest because of their potential as therapeutic agents that sequence-selectively recognize DNA (the basis of the antigene therapy) and double helical RNA. The latter targeting has recently become highly attractive owing to realization of the role of the noncoding RNA in gene expression. In addition to medicinal relevance, the Hoogsteen-face recognition offers an interesting option for molecular biology tools. The goals of this research project are (1) to develop novel oligonucleotide conjugates or oligonucleotide-resembling structures (e.g. modified PNAs) that have high affinity to DNA/RNA duplexes especially under physiological conditions, (2) to provide further information about the mechanism of Hoogsteen-face recognition (obtained mainly by 19 F NMR experience in the laboratory) and (3) to develop novel Hoogsteen-face recognition -based molecular biology tools, in which fluorescence and 19 F NMR spectroscopy will be applied. Main results so far We have recently synthesized a small library of neomycin-2 -deoxyoligonucleotide conjugates and demonstrated their Hoogsteen-face binding to double helical DNAs (neomycin is a known triplex groove binder). In the best case (with C-5-conjugated neomycin), a notable stabilization was obtained and the stabilization could be doubled by two neomycin units (Figure 1). Stabilization in the pyrimidine interrupt could also be gained. The triplex formation in this study has been characterized, in addition to conventional spectrophotometric methods (UV and CD spectroscopy), by 19 F NMR spectroscopy of the corresponding fluorine labelled oligonucleotides. 19 F NMR spectroscopic analysis gave additional information about the molar ratios of secondary structural species (triplex/duplex/single strand, Figure 2) and an indication to varying local environment in the target triplex was also observed. Figure 1. Structure of neomycin conjugates (ON2 and ON7) and their influence on the triplex stability (cf. T m 3 -values in comparison to unmodified oligonucleotide ON1). 77

82 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 2. Relative molar fractions of triplexes, duplexes and single strands ( 19 F-duplex 2 + ON1 vs. ON2) upon thermal denaturation obtained by 19 F NMR spectroscopy and UV-melting profiles (λ = 295 nm, C) from the mixtures at ph 5.5. Conditions: 50 μmol L -1 of each oligonucleotide in 0.1 mol L -1 NaCl at ph 5.5 or 6.0 (the structure of ON2 in Figure 1). The significance of my research for the research group and the whole research field One of the main interests of the Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology has been the applications of modified oligonucleotides or oligonucleotide-related oligomers. This together with the 19 F NMR spectroscopy experience provide strong basis for the development of new triplex forming oligonucleotides (TFOs) or resembling structures (e.g. PNA). The Hoogsteen-face recognition -based molecular biology tools may have interesting applications, since their functionality does not require strand invasion (or complementary single strands). The new TFOcandidates, detailed information of triplex/duplex/single strand conversion obtained by 19 F NMR spectroscopy and novel TFO-based molecular biology tools are all subjects of general interest in the field of organic and bioorganic chemistry. Papers to be included in the PhD thesis 1. Tähtinen, V.; Granqvist, L. and Virta, P. Bioorganic & Med. Chem. 2015, submitted. 78

83 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt SELECTFLUOR-PREKURSORIN VALMISTUS JA [ 18 F]SELECTFLUORIN RADIOANALYYTTISTEN MENETELMIEN KEHITYS Salla Lahdenpohja 1,2 *, Anna Kirjavainen 2, Sarita Forsback 2 ja Olof Solin 1,2 1 Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto 2 Radiofarmaseuttisen kemian laboratorio, Valtakunnallinen PET-keskus, Turun yliopisto *saorla@utu.fi Abstrakti [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatti) on erittäin reaktiivisen [ 18 F]fluorikaasun johdos, jota voidaan tehokkaasti käyttää elektrofiilisissä 18 F - fluorausreaktioissa. Työn tavoitteena oli syntetisoida Selectfluorin edeltäjämolekyyliä ja löytää analyysimenetelmä [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatille) ja sen edeltäjämolekyylille. Työssä kehitetty nestekromatografinen menetelmä soveltuu [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) tunnistamiseen radioaktiivisuuden avulla. Selectfluor on mahdollista tunnistaa myös massaspektrometrisesti, mutta tämä menetelmänkehitys on vielä kesken. Johdanto [ 18 F]N-F-yhdisteet ovat elektrofiilisiä fluorausreagensseja ja ne olivat kiinnostuksen ja kehityksen kohteena 1980-luvulla. Kiinnostus [ 18 F]N-F-yhdisteisiin laski nukleofiilisen 18 F-fluorauksen ylivoimaisuuden takia, mutta on taas noussut takaisin pinnalle N-[ 18 F]fluoribentseenisulfonimidin [1] ja [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) [2] kehityksen myötä. Molempia yhdisteitä on käytetty 18 F- leimausreaktioissa. [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatilla) on valmistettu muun muassa neurologisissa tutkimuksissa käytettyä [ 18 F]-6-fluori-3,4-dihydroksi-L-fenyylialaniinia (6-[ 18 F]FDOPA) [2]. Erikoistyössä valmistettiin Selectfluorin edeltäjämolekyyliä, jota leimattiin [ 18 F]F - :sta valmistetulla [ 18 F]fluorikaasulla [2,3]. Työssä pyrittiin kehittämään [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) radioanalyyttisiä tutkimusmenetelmiä. Koska Selectfluor ei ole ultraviolettikromoforinen, analyysimenetelmien kehitys keskittyi korkean erotuskyvyn nestekromatografiaan (HPLC) ja nestekromatografia-massaspektrometriaan (LC-MS), joissa molemmissa käytettiin hyväksi radioaktiivisuuden tunnistamista. Materiaalit ja menetelmät Selectfluorin edeltäjämolekyyli (1-kloorimetyyli-1,4-diatsabisyklo-[2.2.2]oktaani triflaatti) syntetisoitiin kahdessa vaiheessa. Edeltäjämolekyyli leimattiin [ 18 F]fluorikaasulla automatisoidulla synteesilaitteistolla, joka oli sijoitettu kuumakemiakammioon. Kaaviossa 1 on esitetty Selectfluorin edeltäjämolekyylin synteesi ja sen 18 F-leimaus. Kaavio 1. Selectfluorin edeltäjämolekyylin kaksivaiheinen synteesi ja [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) radiosynteesi. [ 18 F]Selectfluor bis(triflaattia) analysoitiin HPLC- ja LC-MS-laitteistoilla, joihin molempiin oli liitetty radioaktiivisuusdetektori. HPLC-ajot suoritettiin ph-välillä 2,5 10 käyttäen erilaisia 79

84 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt gradientteja ja isokraatisia ajoja. Orgaanisena faasina käytettiin metanolia tai asetonitriiliä ja vesifaasina käytettiin erilaisia puskuriliuoksia. LC-MS:lla tehtiin [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) analyysimenetelmien kehityksen lisäksi kokeita käyttäen [ 19 F]Selectfluor bis(triflaattia) ja Selectfluor-edeltäjämolekyyliä. Ajoliuoksina käytettiin metanolia ja vettä, joihin oli lisätty 0,1 % muurahaishappoa. Tulokset ja johtopäätökset Selectfluor-edeltäjämolekyyliä valmistettiin 49 ja 64 %:n saannoilla ja sitä leimattiin onnistuneesti [ 18 F]F 2 -kaasulla, jolloin muodostui [ 18 F]Selectfluor bis(triflaattia). Leimausreaktion onnistuminen ja Selectfluorin edeltäjämolekyylin toimivuus varmistettiin käyttämällä saatua [ 18 F]Selectfluor bis(triflaattia) 6-[ 18 F]FDOPAn valmistukseen. Käyttäen isokraattista HPLC:tä, yhdisteiden erottaminen oli vaikeaa. Gradienttiajoilla tulokset olivat hyvin vaihtelevia. Signaalien erottuminen ja muoto olivat parhaimmat ph:n ollessa 4,9. Näytteet laimennettiin metanoliin, koska asetonitriiliin havaittiin nopeuttavan [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) hajoamista. LC-MS:ssa [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatti) ja [ 19 F]Selectfluor bis(triflaatti) näkyivät spektrissä m/z-arvolla 179, joka vastaa Selectfluorin massaa ilman triflaattiryhmiä. Tämän lisäksi havaittiin edeltäjämolekyylin signaali (m/z 161) ja tunnistamaton signaali (m/z 191). Tunnistamaton signaali on todennäköisesti edeltäjämolekyylin metanoliaddukti. Adduktisignaali onnistuttiin erottamaan muista laskemalla metanolipitoisuutta. [ 19 F]Selectfluor bis(triflaatilla) laskettaessa metanolipitoisuus 90 prosentista 5 prosenttiin, sinisellä kuvattu adduktisignaali erottuu selkeästi tuotteesta ja prekursorista (kuva 1). Tuotesignaalin (punainen) erottuminen edeltäjämolekyylin signaalista (musta) oli vähäistä. Kuva 1. A) m/z-arvot 161, 179 ja %:n metanolipitoisuudessa, B) m/z-arvot 161, 179 ja %:n metanolipitoisuudessa. Menetelmäkehityksen tuloksena [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatti) voidaan erottaa [ 18 F]fluoridista radio- HPLC:llä. Selectfluor bis(triflaatti) voidaan erottaa m/z-arvollaan LC-MS:lla edeltäjämolekyylistä ja edeltäjämolekyylin metanoliadduktista. Jatkotutkimuksia radio-lc-ms:lla tarvitaan [ 18 F]Selectfluor bis(triflaatin) erottamiseksi sen valmistuksen yhteydessä muodostuneista muista radioaktiivisista yhdisteistä. Viitteet 1. Teare, H., Robins, E.G., Åstrand, E., Luthra, S.K. ja Gouverneur, V., Chem. Commun. 2007, 23, Teare, H., Robins, E.G., Kirjavainen, A., Forsback, S., Sandford, G., Solin, O., Luthra, S.K. ja Gouverneur, V., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, Bergman, J. ja Solin, O., Nucl. Med. Biol. 1997, 24,

85 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät HIGH SPECIFIC RADIOACTIVITY 11 C-METHYL IODIDE FOR RADIOLABELLING Eveliina Arponen Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Olof Solin Supervisor(s): Doc. Pertti Lehikoinen and Prof. Olof Solin Funding: Turku PET Centre, Finnish Centre of Excellence in Cardiovascular and Metabolic Diseases, Academy of Finland Estimated time of PhD dissertation: 2018 Main aims of the PhD research Modern PET (positron emission tomography) -scanners with high resolution capabilities often require large amounts of radioactivity in order to generate high quality images (data). This increased need of radioactivity in turn demands better specific radioactivity to keep the injected mass at tracer level. This is especially true when imaging small animals, and is at present in many cases the limiting factor in successful preclinical imaging. In the sequence of 11 C-radiopharmaceutical production typically most of the stable carbon is introduced from the system and reagents which are used to convert the product into a labelling agent. With present day methods the dilution of 11 C with 12 C is a thousandfold at best, i.e. for each 11 C atom we have at least C atoms. 11 C-Methyl iodide is a useful precursor for incorporating 11 C via methylation of compounds containing oxygen, sulphur and nitrogen nucleophiles. Today there are two commonly used production methods for 11 C-methyl iodide: the classic LiAlH 4 /THF/HI wet method or heat initiated gas-phase radical reaction. Both are time-consuming methods constituting ca.10 min step in the synthesis. The 20.4 min half-life of 11 C imposes several challenges to the preparation and use of 11 C-labelled compounds. Every saved minute can be seen as an improvement of the final specific radioactivity. The aim of the first study was to develop a PET-tracer for 2C -adrenoceptor imaging and to evaluate it in 2 -adrenoceptor knock-out (KO) mice. 2C -Adrenoceptors in the human brain are involved in various neuropsychiatric diseases such as depression, schizophrenia and movement disorders. At present we are investigating options to carry out gas-phase conversion of 11 C-methane into 11 C-methyl iodide and further to 11 C-methyl triflate. Ideally this will be done on-line while emptying the target and feeding the irradiation product into the labelling synthesis. Alternative initiation methods for on-line halogenations, such as electron discharge will be studied. In addition to the possibility of cutting down synthesis time, a closed system setup in the on-line approach is expected to reduce stable carbon dilution. The aim of this study is to produce high specific activity labelling precursors ( 11 C-methyl iodide, 11 C-methyl triflate) for 11 C-radiosynthesis. In this work analytical procedures will be established to determine the specific activity of 11 C-methane in the target gas using radiogc/ms. 81

86 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Main results so far 11 C-ORM (1-[(S)-1-(2,3-dihydrobenzo[1,4]dioxin-2-yl)methyl]-4-(3-11 C-methoxymethylpyridin-2-yl)-piperazine) was synthesized by 11 C-methylation of O-desmethyl-ORM with 11 C-methyl triflate, which was prepared from cyclotron-produced 11 C-methane via 11 C-methyl iodide. 11 C was prepared by the 14 N(p,α) 11 C nuclear reaction using 17 MeV protons, which were produced with an MGC-20 cyclotron, and was obtained as 11 C-methane. The target gas was nitrogen, containing 5% hydrogen. The initial radioactivity of 11 C-methane was 37 GBq, and the average synthesis time was 32 ± 3 min, including the synthesis of 11 C-methyl triflate, methylation, HPLC purification, and formulation. The radiochemical yield, calculated from the initial 11 C- methane (decay-corrected to EOB), was 9.6 ± 2.7%, and the radioactivity of 11 C-ORM was 1210 ± 360 MBq at EOS. Measured by analytical HPLC, the specific activity was 640 ± 390 GBq/μmol at EOS (theoretical maximum specific activity for 11 C is GBq/μmol). The radiochemical purity of the product exceeded 99% in all syntheses (n = 118). An efficient method for the radiosynthesis of high specific activity 11 C-ORM was developed. 11 C-ORM emerged as a specific and selective tracer for in vivo imaging of brain α 2C -adrenoceptors [1]. We have developed a new method and an apparatus to produce 11 C-methyl iodide using electron discharge in the gas-phase conversion of 11 C-methane into 11 C-methyl iodide. 11 C-Methyl iodide is synthesized in a single pass through discharge chamber containing iodine crystals. Optimisation of the discharge system for higher and more reproducible 11 C-methyl iodide yield is ongoing.. O H N O H N O HO N N [ 11 C]Methyl triflate TBAOH/acetonitrile, 3 min 80 o C O H 3 11 C O N N 1 2 Figure 1. Synthesis scheme for 11 C-ORM The significance of my research for the research group and the whole research field The present study plan aims to develop a rapid and facile method to produce the most important 11 C-labeling precursors for PET chemistry. If successful, we will have in hand methods that will enable us to speed up the production and increase the amount of tracers in our tracer library. Our goal is to apply the obtained knowledge of the labelling agent production to synthesise improved quality PET-tracers with very high specific radioactivity. Papers to be included in the PhD thesis 1. Arponen E, Helin S, Marjamäki P, Grönroos T, Holm P, Löyttyniemi E, Någren K, Scheinin M, Haaparanta-Solin M, Sallinen J, Solin O, J. Nucl. Med. 2014, 55,

87 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Electrophilic fluorination and preclinical evaluation of [ 18 F]F-DPA and development of new methodologies for the production of high specific activity electrophilic 18 F- fluorination reagents. Thomas Keller Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku tomkel@utu.fi Research Director: Prof. Olof Solin, PhD Supervisor(s): Adj. Prof. Merja Haaparanta-Solin, PhD, and Dr. Sarita Forsback, PhD Funding: Funding was received from the Marie Curie ITN Radiomi, grant number and from the Academy of Finland, grant number Estimated time of PhD dissertation: 2017 Main aims of the PhD research The aim of this project is twofold, the development of a new strategy for the production of high specific activity [ 18 F]F 2 and the use of electrophilic 18 F-fluorination reagents in the synthesis of novel analogues of [ 18 F]DPA714 a translocator protein (TSPO) specific radioligand. Electrophilic 18 F-fluorination can provide a fast and simple synthetic route to a range of target molecules inaccessible by nucleophilic labelling. Reagents such as post-target produced [ 18 F]F 2 (Fig. 1) and the more versatile [ 18 F]Selectfluor (derived from post-target produced [ 18 F]F 2 ) can be produced in our facility with high specific activity. However both reagents suffer from the drawbacks associated with the addition of carrier fluorine gas and the consumption of [ 18 F]F 2 during the high voltage electric discharge required for the 19 F/ 18 F isotopic exchange reaction. Figure 1. Post-target production of [ 18 F]F 2 by high voltage discharge Main results so far In collaboration with Dr Frédéric Dollé of the Atomic Energy Commision, Orsay, France, we have been working on the synthesis of [ 18 F]DPA714 and a novel analogue, [ 18 F]F-DPA (Fig. 2), labelled by an electrophilic route. The well-known labelling of [ 18 F]DPA714 served as a good means by which to get acquainted with the world of radiochemistry and some of the custom-built devices used in the radiolabelling process. In addition, the use of this existing tracer in preclinical experiments provided an excellent opportunity learn about the preclinical aspects of the project, gain experience working with laboratory animals and provides a standard for the evaluation of the novel [ 18 F]F-DPA. 83

88 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 2. Structures of [ 18 F]F-DPA and [ 18 F]DPA-714 Initial test reactions employing [ 18 F]F 2 directly as the electrophilic fluorination reagent were unsuccessful in the production of the desired [ 18 F]F-DPA product. Hence, [ 18 F]Selectfluor, a milder electrophilic 18 F-fluorination reagent was chosen for further experiments. This approach proved quite successful and the [ 18 F]F-DPA product was obtained sufficient yield and specific activity for preclinical evaluation. The animal work is ongoing and is yielding promising results that are yet to be published. In addition to the development of novel tracers a large portion of the project is being devoted to research concerning a new approach to the production of high specific activity [ 18 F]F 2. As described above, the current methodology employs a high voltage discharge to promote the 19 F/ 18 F isotopic exchange reaction and this also consumes a portion of the [ 18 F]F 2. The new approach provides the energy in a milder form as high energy Vacuum UV photons with the intention that this will reduce the [ 18 F]F 2 consumption. Initial experiments are ongoing and a proof of concept has been obtained, however significant optimization is yet to be performed before the results can be published. The significance of my research for the research group and the whole research field The research group at the Turku PET Centre has particular expertise with the use of electrophilic fluorination as a labelling strategy. This specialized knowledge together with the simplicity of the method itself makes it an attractive approach to synthesize novel radioligands. Translocator protein (TSPO) overexpression in the brain is associated with a range of diseases, amongst them; Alzheimer s, stroke, sultiple sclerosis and brain injury. As a result TSPO-specific radioligands are routinely used in the imaging of neuroinflammation caused by these diseases. However despite this many of the existing TSPO tracers suffer from certain drawbacks, such as a short half-life of the selected radionuclide or low metabolic stability of the particular labelling position. Hence there is a significant interest in the development of new radio-ligands that may overcome some of these pitfalls. 84

89 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät ELECTROPHILIC 18 F-LABELLING OF MARSANIDINE AND GENERATION OF HIGH SPECIFIC ACTIVITY [ 18 F]F 2 GAS WITH VUV PHOTONS Anna Krzyczmonik Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku anmakrz@utu.fi Research Director: Prof. Olof Solin Supervisors: Prof. Olof Solin, PhD, Adj. Prof. Merja Haaparanta-Solin, PhD, and Dr. Sarita Forsback, PhD Funding: European Union s 7th Framework Programme for Research, grant number , National Science Centre (Poland), grant number 2011/01/B/NZ4/00520, Academy of Finland, grant number Estimated time of PhD dissertation: 2017 Main aims of the PhD research My research concentrates on application of electrophilic fluorination in synthesis of radiotracers for Positron Emission Tomography (PET). The first part of my study is to developed a new way of synthesis of [ 18 F]F 2 with high specific activity (figure 1). [ 18 F]F 2 is produced at Turku PET Centre from [ 18 F]MeF with addition of carrier F 2 gas in neon. The 19 F/ 18 F isotopic exchange is obtained using high voltage to produce [ 18 F]F 2 gas with high specific activity. Figure 1. Synthesis of high specific activity [ 18 F]F 2 In my research I am applying vacuum UV photon illumination as a means to promote the 18 F/ 19 F isotopic exchange to obtain higher specific activity. The second part of my research concentrates on the synthesis of new PET tracers via electrophilic fluorination. The first tracer I synthetized was a potential subtype selective α 2A - adrenoceptor tracer. α 2 -adrenoceptors (ARs) mediate many actions of adrenaline and noradrenaline and regulate their release. Brain α 2 -ARs are potential therapeutic targets in various neuropsychiatric disorders, such as depression, schizophrenia, and neurodegenerative diseases. Main results so far [ 18 F]6-fluoro-marsanidine, a potential subtype selective α 2A -adrenoceptor tracer, was labelled using electrophilic fluorination. High specific activity [ 18 F]F 2 was produced post target from [ 18 F]MeF by using high voltage to obtain 19 F/ 18 F isotopic exchange. The [ 18 F]F 2 was used for labelling of Selectfluor (figure 2). The crude stock solution of [ 18 F]Selectfluor reacted directly with marsanidine precursor. The product was purified by preparative HPLC to give a radiochemical purity more than 99%. 85

90 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 2. Radiosynthesis of [ 18 F]Selectfluor With this method [ 18 F]6-fluoro-marsanidine was produced with sufficient yield for preclinical studies (figure 3). The biodistribution of [ 18 F]6-fluoro-marsanidine in healthy rats and mice was investigated in vivo with PET imaging. Binding in the brain tissue was assessed using ex vivo by autoradiography. The extent of tracer metabolism in the blood and brain tissue was analysed by radio thin layer chromatography. Preclinical studies showed uptake of the tracer in the brain and demonstrated that [ 18 F]6-fluoromarsanidine passes the blood-brain barrier. The parent tracer metabolized relatively fast, with the formation of numerous labelled metabolites. Figure 3. Radiosynthesis of [ 18 F]6-fluoro-marsanidine A new system for generation of high specific activity was built. The utility of vacuum UV photons in production of [ 18 F]F 2 gas has been confirmed. Preliminary experiments gave promising results which have to be confirmed in further studies. The significance of my research for the research group and the whole research field In 1997 a research group from Turku PET Centre developed a new method for production [ 18 F]F 2 gas with high specific activity. Since this time Turku has been one of the few places in the word which has the possibility to develop new tracers synthetized by electrophilic fluorination and evaluate them in preclinical studies. In my research I am using this opportunity for synthesis of new tracers unattainable with other methods. I also perform the preclinical studies to evaluate the utility of them in small animals. 86

91 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät SYNTHESIS, ANALYTICS AND EVALUATION OF HIGH SPESIFIC RADIOACTIVITY RADIOTRACERS FOR PET-IMAGING OF PANCREAS Paula Lehtiniemi Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Olof Solin Supervisor(s): Prof. Olof Solin, PhD, Dr. Sarita Forsback, PhD, and Adj. Prof. Merja Haaparanta- Solin, PhD Funding: Academy of Finland (grant no ), The Diabetes Research Foundation, The Novo Nordisk Foundation Estimated time of PhD dissertation: 2018 Main aims of the PhD research Main aim of this research is to develop new 18 F and 63 Zn labelled positron emission tomography (PET)-radiotracer with high specific radioactivity (SA) for preclinical and clinical studies. The focus is on 18 F-labelled exendin-peptide synthesis and determination of its SA. This 18 F-peptide can possibly be used for clinical imaging of human pancreatic beta-cells with PET. An additional aim is to develop methods for 63 Zn-labelling of peptides and to study the tracer uptake in pancreas with for studying insulin metabolism in vivo. A third aim is to synthetize a suitable radiotracer with high SA for imaging the norepinephrine transporter protein (NET) and to study its suitability for clinical PET imaging of pancreas. For identification and determination of SA of the radiotracers radio-hplc/ms/ms methods will be developed. The pharmacokinetics of the new radiotracers is evaluated in various animal models. Main results so far We have developed an 18 F-labelling method for the exendin-peptide (figure 1.) Radioactive fluorine, [ 18 F]F -, was produced using the cyclotron. During azeotropic distillation of a mixture of Kryptofix 2.2.2, K 2 CO 3 and 18 F -, a complex was formed. Using this complex a tosylate-precursor was labelled with 18 F-fluorine and the labelled precursor was used to label the exendin-peptide via click chemistry. 18 F-labelling of the exendin-peptide has been successful, radiochemical yield was 35 % and the synthesis was reproducible. The final product purification and formulation needs further development due to the very adhesive nature of the exendin-peptide. Also the SA of the 18 F- exendin is to be improved. We have developed radio-tlc and HPLC -methods for detecting 18 F-exendin and we will continue to develop new radio-hplc/ms/ms-method for the determination of SA. 87

92 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 1. Synthesis scheme for 18 F-labelling of exendin-peptide. Tosylate- precursor 1, 18 F-labelled precursor 2 and 18 F-exendin 4. The significance of my research for the research group and the whole research field A reliable method for non-invasive in vivo quantification of beta-cell mass in human pancreas is needed to understand the pathophysiology of type 1 and type 2 diabetes. Based on the animal studies the 18 F-labelled exendin-peptide looks promising for imaging pancreatic beta cells but further development of the tracer is still needed. Zinc plays a central role in insulin metabolism. Therefore development of non-invasive Zn-probes is warranted. Papers to be included in the PhD thesis F-labelling of the exendin-peptide via click chemistry, manuscript. 88

93 Kemian kevät 2015 Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit 3 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja 5 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja 89

94 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät FUNKTIONAALISIA MATERIAALEJA JA OHUITA KALVOJA : MOLEKYYLIEN KEMIALLISTEN JA FYSIKAALISTEN OMINAISUUKSIEN KÄYTTÖÄ IHMISEN PARHAAKSI ELI MITÄ ON MATERIAALIKEMIA Keijo Haapakka, Carita Kvarnström, Jukka Lukkari Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto s-posti: keijo.haapakka@utu.fi, carita.kvarnström@utu.fi ja jukka.lukkari@utu.fi Kemiassa käsitteellä materiaali tarkoitetaan kemiallisia yhdisteitä, joiden yksittäisellä molekyylillä tai makroskooppisella ainemäärällä on ominaisuuksia, joita voidaan hyödyntää joissain sovellutuksissa. Materiaalikemian tutkimusta ohjaavat täten yhdisteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, ei niinkään niiden kemiallinen luonne. Funktionaaliset (toiminnalliset) materiaalit pystyvät reagoimaan ympäristössä tapahtuviin fysikaalisiin tai kemiallisiin ilmiöihin jollain tavoin, joko muuntamalla ominaisuuksiaan (elektroniset, mekaaniset, optiset jne.) tai tekemällä esimerkiksi mekaanista, kemiallista tai sähköistä työtä. Arkikielessä näistä käytetäänkin usein hieman epämääräistä termiä älykkäät materiaalit. Funktionaalisten materiaalien ryhmässä tutkitaan sekä fysikaalista että sovellettua materiaalikemiaa. Funktionaaliset materiaalit Ryhmässä tutkittavat toiminnalliset materiaalit ovat yleensä sähköä johtavia, valoherkkiä, luminoivia, viskoelastisia, ioniherkkiä tai katalyyttisesti aktiivisia. Yhteistä niille on se, että niiden ominaisuuksia voidaan säädellä ulkoisin keinoin tai ne itse mukautuvat kulloiseenkin fysikaaliseen ja kemialliseen ympäristöönsä. Tutkittavat materiaalit ovat yleensä pehmeitä orgaanisia materiaaleja, esimerkiksi johdepolymeereja, polyelektrolyyttejä tai yleisesti polymeereja sekä hiilen uusia allotrooppeja (fullereenit, grafeeni ja sen johdokset). Johdepolymeerit, redoxpolymeerit, synteettiset ja bioinnoitetut redoksipolyelektrolyytit Johdepolymeerien sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa ulkoisen sähköpotentiaalin avulla. Samalla niiden väri muuttuu, mikä voi mahdollistaa niiden käytön orgaanisissa näyttöpaneeleissa. Muita sovellutuskohteita ovat kemialliset anturit, orgaaniset transistorit (ns. orgaaninen elektroniikka) sekä aurinkokennot, joista erityisesti viimeksi mainittuja sovellutuksia ryhmässä tutkitaan. O. S. x Cl - N + N 2 Cl -. N + N +. y Kuva 1. Johdepolymeereja, ionisia johdepolymeereja sekä redoksipolymeereja. Polyelektrolyytit ovat ionisia polymeereja. Ne ovat hyvin vesiliukoisia ja useimmiten erittäin bioyhteensopivia. Ympäröivän liuoksen kemiallinen koostumus ja lämpötila vaikuttaa voimakkaasti polyelektrolyyttien ominaisuuksiin. Erityisiä mielenkiinnon kohteena olevia polyelektrolyyttejä ovat johdepolymeerien vesiliukoiset muodot sekä redoksipolyelektrolyytit. Uutena tutkimusaiheena 90

95 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät ovat bioinnoitetut kinonipohjaiset polyelektrolyytit, jotka rakenteeltaan muistuttavat polyfenolisia luonnonyhdisteitä, sekä melaniininanopartikkelit. Melaniini on luonnossa hyvin yleinen tumma pigmentti, jonka fysikaaliskemialliset ominaisuudet ovat sovellutusten kannalta lupaavia. Polykinonit ovat redoksiaktiivisia polymeereja, jotka voivat toimia sensorimateriaaleina, molekulaarisina liimoina sekä välittäjinä elävän ja elottoman materiaalin välillä. Kuva 2. Polykinoneita ja melaniininanopartikkeleita Hiilen allotroopit. Grafeeni ja sen johdannaiset ovat savuttaneet merkittävän aseman materiaalitutkimuksessa, on puhuttu jopa ihmeaineesta; grafeeni on mm. erinomainen sähkönjohde. Tuiki tavallinen materiaali, grafiitti, koostuu löyhästi toisissaan kiinni olevista yhden hiiliatomin paksuisista grafeenilevyistä. Grafeenia voidaankin valmistaa tavallisesta grafiitista erottelemalla (eksfolioimalla) siitä yksittäisiä levyjä tai hapettamalla grafiitti grafeenioksidiksi, joka muodostuu irrallisista hapettuneista grafeenilevyistä. Grafeenioksidi on eriste, joten useimpia sovellutuksia varten se on pelkistettävä takaisin. Tutkimme erityisesti grafeenin valmistusta suoraan grafiitista mekanokemiallisin menetelmin, grafeenioksidin kemiallista ja sähkökemiallista pelkistystä sekä grafeenilevyjen funktionalisointia ionisilla nesteillä ja foto- tai bioaktiivisilla ryhmillä. Grafeeni- ja grafeenioksidilevyjä käytetään myös lisäkomponetteina komposiittimateriaaleissa lisäämään sähkönjohtavuutta ja mekaanista lujuutta. Materiaali soveltuu erinomaisesti myös anturisovellutuksiin. Ryhmässä on mm valmistettu pelkistetystä grafeenioksidista paperin pinnalle kertakäyttöinen kaasuanturi, joka pystyy havaitsemaan 60 miljardisosan (ppb) typpidioksidipitoisuuden. shear 0 R/R 0 (%) ppm NO 2 N 2 N UV Time (min) Kuva 3. Grafiitin mekanokemiallinen eksfoliointi (ylh. vas.); grafeenioksidin kemiallinen pelkistys vanadiinilla (alh. vas.); grafiittia (kiinteä) ja grafeenioksidi-vesi suspensio ennen ja jälkeen pelkistyksen (ylh. oik.); pelkistetystä grafeenioksidista valmistettu kertakäyttöinen kaasuanturi (alh. oik.) 91

96 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Fullereenien tutkimus keskittyy C60-fullereeniin ja sen johdannaisiin. Nämä johdannaiset sisältävät kompleksoivia ja itsejärjestymistä edesauttavia ryhmiä. Ne ovat hyviä elektronivastaanottajia ja soveltuvat täten hyvin aurinkokennoihin. Kuva 4. Fullereenin rakenne ja C 60 -tolueeniliuos sekä pinta-modifioitu fullereenimolekyyli Ioniset nesteet (suolasulat) ovat suurikokoisista ja epäsymmetrisistä orgaanisista kationeista ja anioneista koostuvia suolasulia, jotka ovat huoneenlämmössä nestemäisiä. Ionisilla nesteillä on osoitettu olevan suuri vaikutus johdepolymeerien morfologiaan ja sähkökemialliseen aktiivisuuteen. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi malmien erotuksessa, lääkeaineiden valmistuksessa, lämmönsiirrossa, hiilidioksidin talteenotossa, aurinkokennojen ja polttokennojen valmistuksessa sekä eri materiaalien nanorakenteen muokkauksessa. Tutkimuksessa ionisia nesteitä käytetään komposiittien valmistukseen. Kuva 5. Ruokasuola (vas.) ja ioninen neste (oik.) Funktionaaliset ohutkalvot lämpötilassa 25 C. Sovellutuksia varten on useissa tapauksissa tarkoituksenmukaista valmistaa toiminnallisista materiaaleista ohuita kalvoja. Ohutkalvoilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kalvoja, joiden paksuus vaihtelee välillä nm, toisinaan mikrometriin asti. Tälläisiä kalvoja valmistetaan ryhmässä yleensä kolmella eri menetelmällä, itsejärjestymisen avulla (ohuimmat, yleensä vain yhden molekyylin paksuisia), vaiheittaisen kerrostamisen avulla (paksuus > 1 nm) sekä sähkökemiallisesti polymeroimalla (paksuimmat, jopa mikrometrejä). Itsejärjestyneitä monomolekulaarisia kalvoja käytetään yleensä vain tutkimustarkoituksiin, kun on päämääränä selvittää jonkin yksittäisen komponentin toimintaa ja rakennetta herkillä sähkökemiallisilla ja spektroskooppisilla menetelmillä. Sen avulla myös esikäsitellään kasvatusalustoja kalvojen kasvattamista varten muilla menetelmillä. Vaiheittainen kerrostus on monipuolinen ja helppo menetelmä, jolla voidaan muodostaa lähes mielivaltaisia eri komponentteja sisältäviä monikerroskalvoja lähes mille tahansa alustalle. Menetelmä voidaan käytännössä toteuttaa eri tavoin ja ryhmässä on rakennettu automaattiset kalvonkasvatuslaitteistot ns. kasto-, pyöritys-, ruiskutus-, pyöritys-ruiskutus ja sumutusmenetelmiä varten. Kaikissa perusperiaatteena on kuitenkin kalvojen muodostaminen adsorboimalla pintaan vuorotellen positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita molekyylejä. Automaattisten kasvatuslaitteistojen avulla voidaan valmistaa lähes mielivaltaisen koostumuksen omaavia satojakin kerroksia sisältäviä ohutkalvoja. Käytetyt materiaalit ovat yleensä synteettisiä (ja toiminnallisia), biologisia tai bioinnoitettuja polyelektrolyyttejä, nanopartikkeleita ja 2Dnanomateriaaleja (grafeeni ja sen johdokset sekä analogit). Tällä hetkellä aktiivisen tutkimuksen kohteena ovat hapettavat monikerroskalvot, jotka itsestään muodostavat pinnalleen ohuen johdepolymeeri- tai melaniinikerroksen, kun ne joutuvat kosketuksiin vastaavan monomeerin kanssa. 92

97 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Kuva 6. Vaiheittainen kerrostus kasto- (vas.) ja pyöritys-ruiskutus menetelmällä (kesk.), esimerkkinä TiO 2 -nanopartikkeleita sisältäviä eripaksuisia kalvoja (oik.). Sähkökemiallista polymerointia käytetään erityisesti johdepolymeeri- ja redoksipolymeerikalvojen valmistuksessa. Johdepolymeerit valmistetaan yleensä hapettamalla vastaavaa monomeeria, jolloin polymeerikalvon kasvua voidaan seurata sähkökemiallisesti. Redoksipolymeereja voidaan valmistaa myös pelkistämällä. Ryhmässä tutkitaan esim. syanopyridiinimonomeereista pelkistämällä valmistettuja viologeenipohjaisia redoksipolymeereja I / ma Kuva 7. Ylhäällä pyrrolin ja alhaalla vasemmalla syanopyridiinin sähkökemiallinen polymerointi. Alhaalla oikealla polymerointi syklisellä voltammetrialla. Ohutkalvojen tutkimusmenetelmät Paitsi itse ohutkalvoja ja niiden komponentteja ryhmässä kehitetään myös kalvojen tutkimusmenetelmiä. Pääkohteena ovat tällöin erilaiset sähkökemiallisten ja spektroskooppisten E / V 93

98 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät menetelmien yhdistelmät, spektrosähkökemialliset menetelmät. Erityisesti keskitytään tutkimusmenetelmiin, joissa kalvoja voidaan tarkastella ns. in situ olosuhteissa, joka tässä tapauksessa yleensä tarkoittaa nesteen alla tapahtuvia mittauksia. Näitä ovat erilaiset värähdysspektroskoopisten ja sähkökemiallisten menetelmien kombinaatiot sekä moduloitu reflektanssispektroskopia. Ryhmässä on myös kehitetty ohutkalvojen mekaanisten ominaisuuksien mittausmenetelmä. UV-Vis FTIR external reflection hole for filling or purging Electroactive film ZnSe window Raman Counter electrode Reference electrode Potentiostat Electroactive film reference electrode bridge FTIR internal reflection Laser beam IR -beam Ge or ZnSe reflection element Kuva 8. Ryhmässä rakennettuja mittauslaitteistoja UV-Vis-Raman ja FTIR-heijastusspektrosähkökemiaa (vas.) sekä moduloitua reflektanssispektroskopiaa (oik.) varten. Yhteistyökumppaneita ovat mm. IFW:n tutkimuslaitos, Dresden, Saksa Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu, Tukholma, Ruotsi Modenan yliopisto, Modena, Italia Szegedin yliopisto, Szeged, Unkari Uppsalan yliopisto, Uppsala, Ruotsi Institute of Physical Chemistry, University of Linz, Itävalta University of Cambridge, Wolfson College, Iso-Britannia University of Copenhagen, Tanska Changchun Institute of Applied Chemistry, Kiina University of Tirana, Albania University of Reims Champagne-Ardenne, Ranska Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia University of Urbino, Italia 94

99 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt KERROS-KERROKSELTA KOOTUT OHUTKALVOT JA LUMINESOIVAT KALVOSENSORIT Hannu Grönberg ja Keijo Haapakka Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Kerros-kerrokselta eli LbL-tekniikalla valmistettuja ohutkalvoja on tutkittu runsaasti viimeiset 20 vuotta. Ohutkalvojen valmistamiseen voidaan käyttää kastamis-, sumutus- tai sumutus-pyöritysmenetelmiä. Kalvoja on rakennettu sekä tasaisten ja epätasaisten pintojen että nanohiukkasten päälle. Luminesenssiin perustuvat sensorit käyttävät hyväksi värinkantajia, kromoforeja. Kromoforit aiheuttavat signaalin, joka voidaan mitata tai on nähtävissä. Johdanto Itsejärjestymiseen verrattuna LbL-menetelmällä valmistetut kalvot ovat paremmin hallittavissa. Niiden käyttö ja tutkimus onkin lisääntynyt vauhdikkaasti 1990-luvun lopulta lähtien. Koska LbLkalvojen valmistukseen on erilaisia menetelmiä, pyrittiin selvittämään, mikä menetelmä on sopivin. Pyrittiin selvittämään rakentumista myös ajallisesti. Valo-opillisiin menetelmiin, kuten luminesenssiin, perustuvat tutkimusmenetelmät ovat eihajottavia ja ei-kajoavia ja niidenkin käyttö on lisääntynyt viime vuosina. Selvitettiin, onko luminesenssiin perustuvilla menetelmillä käyttöä sensoreina, mikä on LbL-kalvojen merkitys sensoreissa ja esiteltiin sensorityyppejä. Erikoistyö on kirjallisuustutkimus. Tulokset ja johtopäätökset Muutaman nanometrin paksuisia ohutkalvoja voidaan valmistaa valtavasta valikoimasta rakennusaineita. Kuvassa 1a on kuvattu kahden ensimmäisen adsorptiovaiheen yksinkertaistettu molekylaarinen periaate. Aluskerros on positiivisesti varattu. Se kastellaan polyanioniliuokseen, joka tarttuu positiiviseen kerrokseen muutamassa sekunnissa. Sen jälkeen tapahtuu 5-20 min kestävä järjestyminen. Tätä seuraa huuhteluvaihe, joka huuhtelee muun kuin yhden lähimmän kerroksen. Seuraavana on kastelu polykationiliuokseen, tarttuminen, järjestyminen ja huuhtelu. Näin voidaan toistaa useita kertoja, tapauksesta riippuen kymmeniä tai satoja kertoja. Kuvassa 1b on kuvattu kastelemista dekanttereissa. Kuvassa 1c on kastelemisen sijasta sumutusmenetelmä. Sumutusmenetelmän etuina ovat pienempi kemikaalin kulutus ja mahdollisuus automatisointiin. Sumutusmenetelmään voidaan yhdistää aluskerroksen pyöritys. Siinä keskipakovoima työntää kemikaalia ulospäin, niin että vain ohut kerros jää jäljelle. Parhaan laadun kalvot, kun ajatellaan rakentumisen toistettavuutta ja kerrospaksuuksien tasaisuutta, luotiin käyttämällä menetelmää, jossa kalvo pidettiin vakioisesti märkänä. Tämä tarkoittaa, että pohjakerros pidetään pyörimässä ja sitä joko sumutetaan polyelektrolyyttiliuoksella tai huuhdellaan vedellä ilman mitään viivettä vaiheiden välillä. Kalvoja voidaan rakentaa monen eri aluskerrostyypin päälle. Kuvassa 2 on esitetty näkyvä muutos. Tasaisen aluskerroksen lisäksi ohutkalvoja voidaan muodostaa nanohiukkasten ja misellien ympärille. Näin muodostetut hiukkaset ovat lupaavia lääkeainejakelun ja bioaistimisen työkaluja. Luminesenssi on säteilyn itsestään tapahtuvaa emissiota elektronisesti kiihdytetyltä lajilta tai värähtelyillä kiihdytetyltä lajilta, joka ei ole lämpötasapainossa ympäristönsä kanssa. Kun molekyyli absorboi valoa, absorptiota seuraava purkautuminen voi tapahtua eri tavoilla. Fluoresenssi ja fosforesenssi ovat luminesenssin erikoistapauksia. 95

100 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt Värin kantajat eli kromoforit ovat kemiallisia ryhmiä, jotka vaihtavat väriä ja värin voimakkuutta joutuessaan erityisen analyytin ympäristöön. Myös LbL-kalvossa kromoforin ollessa osa polyelektrolyyttiä tämä vaihdos tapahtuu kemian sääntöjen mukaan. Luminesenssia voidaan siis käyttää hyödyksi monikerroskalvosensoreissa oksastamalla polyelektrolyyttiin kromoforeja. Ne aiheuttavat aallonpituusmaksimin muutoksen eli Stokesin siirtymän ja signaalin, joka voidaan mitata tai on nähtävissä. Elektronisesti kiihdytetyt tilat, eksitonit ja niiden liikkuvuus aiheuttavat luminesenssin ja värimuutoksen. Eksitonien liikkuvuuteen voidaan vaikuttaa lisäämällä molekyylien haarautuneisuutta ja siten aggregoitumista. Pääosa kaupallisista sensoreista perustuu orgaanis-polymeeriseen tai epäorgaanis-puolijohtavaan kalvoon, joka absorboi tai reagoi analyyttimolekyylien kanssa. Kuva 1. LbL-tekniikan periaate.[1]. Kuva 2. TiO 2 /polystyreenisulfonaattikalvoja piialuskerrosten päällä. Käsittelemätön pii (ylhäällä vasemmalla), 15 kaksoiskerrosta (ylhäällä oikealla), 20 kaksoiskerrosta (alhaalla vasemmalla) ja 25 kaksoiskerrosta (alhaalla oikealla) [2]. Viitteet 4. G. Decher ja J. B. Schlenoff (toim.): Multilayer Thin Films, Sequential Assembly of Nanocomposite Materials, 2. painos M. Salomäki, T. Peltonen, J. Kankare: Multilayer films by spraying on spinning surface Best of both worlds. Thin Solid Films 2012, 520,

101 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt SÄHKÖÄ JOHTAVAT KOMPOSIITIT: KALSIUMKARBONAATIN PÄÄLLYSTÄMINEN JOHDEPOLYMEEREILLÄ Ilkka Palmunen 1 *, Pia Damlin 1, Carita Kvarnström 1, Juuso Hakala 2 ja Matti Lammela 2 1 Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto 2 Nordkalk Oy Ab, Kehityslaboratorio, Skräbbölentie 14-16, Parainen *iapalm@utu.fi Abstrakti Sähköä johtavia materiaaleja voidaan käyttää antistaattisina pinnoitteina estämään esimerkiksi tulipalojen syntyä tai elektronisten komponenttien hajoamista. Tässä työssä valmistettiin uudenlaisia komposiittipartikkeleita päällystämällä täyteaine CaCO 3 :a eri johdepolymeereillä. Kalkin massaosuutta (25-90 m-%) ja muita parametreja vaihdeltiin näytteiden välillä. Materiaaleja karakterisoitiin käyttäen FTIR-, SEM- ja johtavuusmittauslaitteita. Tulosten perusteella arvioitiin komposiittien antistaattisia ominaisuuksia, jotka vaihtelivat valmistustavasta riippuen paljon. Johdanto Johdepolymeerit ovat herättäneet maailmalla kasvavaa mielenkiintoa vuodesta 1977 asti, jolloin niitä ensimmäisen kerran syntetisoitiin. Niitä voidaan hyödyntää erilaisissa sovelluskohteissa kuten esimerkiksi näytöissä, ladattavissa paristoissa tai sensoreissa [1]. Tavallisimpia ovat kuvassa 1 esitetyt, joita käytettiin myös tässä työssä. polyaniliini poly(3,4-etyleenidioksitiofeeni) polypyrroli Kuva 1. Työssä syntetisoitujen johdepolymeerien rakenteet. Johdepolymeerien huono prosessoitavuus ja mekaaniset ominaisuudet ovat toisaalta rajoittaneet niiden laajaa käyttöä. Nykyisin tutkitaankin paljon uusia komposiittimateriaaleja, joissa orgaanisia tai epäorgaanisia partikkeleita on päällystetty johdepolymeereillä. Tällöin voidaan saada yhdistettyä kunkin osakomponentin hyvät kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet tuotteessa. Kalkki on hyvin yleisesti käytetty halpa täyteaine, jota on tutkittu paljon. Siitä on jalostettu monia erilaisia laatuja, joilla on hyviä mekaanisia ominaisuuksia. Se soveltuu hyvin mm. erilaisiin pinnoitteisiin, ja näistä syistä sitä käytettiin myös tässä työssä täyteaineena. Työn ensisijaisena tarkoituksena oli saada komposiitit staattisia varauksia purkaviksi, mikä edellyttää materiaalilta riittävän hyvää sähkönjohtokykyä. Kalsiumkarbonaatin toivottiin kompensoivan johdepolymeerien mekaanisia puutteita ja laskevan mahdollisten tuotteiden hintaa. 97

102 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt Materiaalit ja menetelmät Polymeerien synteesejä varten käytettiin niitä vastaavia monomeereja eli aniliinia, 3,4- etyleenidioksitiofeenia ja pyrrolia (Sigma-Aldrichilta). Polymerisaatioreaktioissa monomeerit hapetettiin pääasiassa ammoniumpersulfaattia tai rauta(iii)kloridia käyttäen. Kalsiumkarbonaattia saatiin erä Nordkalk Oy Ab:lta ja sitä sekoitettiin polymeereihin kahta eri tapaa käyttäen. In-situ menetelmässä kalkkidispersio lisättiin heti polymeerisaatioreaktion alussa reaktioastiaan, kun taas ex-situ menetelmässä se lisättiin vasta polymerisaation jälkeen. Näytteitä analysoitiin Keithley 2400 Source Meter johtavuusmittarilla, Zeiss Supra 55VP pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja Bruker Vertex 70 FTIR-laitteella. Tulokset ja johtopäätökset Työssä onnistuttiin valmistamaan polyaniliinia, poly(3,4-etyleenidioksitiofeenia) ja polypyrrolia (kuva 1) käyttäen kemiallista hapettavaa polymerisaatioreaktiota. Tämä voitiin osoittaa vertailemalla kunkin puhtaan polymeerin FTIR-spektrejä vastaaviin kirjallisuudesta löytyviin spektreihin. Johtavuusmittaukset myös puolsivat onnistuneita polymerisaatioita, kun parhaimmillaan tuloksiksi saatiin konduktiivisuusarvoja odotetusti alueelta 1x10-4 1x10 2 S / cm. Polyaniliinin ja polypyrrolin johtavuusarvot olivat hyvin samaa luokkaa, noin 20 S / cm, kun taas parhaan poly(3,4-etyleenidioksitiofeenin) johtavuus oli noin 2x10-4 S / cm. Varsinaisia CaCO 3 /johdepolymeeri -komposiitteja pyrittiin valmistamaan ensin in-situ sekoittamalla kalkki ja monomeeri vesidispersioksi ja käynnistämällä reaktio hapettimen lisäyksellä. Komposiitti saatiin näin johtavaksi, mutta kalkille ominaisia värähtelyitä ei nähty enää FTIR-spektreissä. SEM kuvissa näkyi kuitenkin kaksi eri faasia. Tämä voidaan selittää seuraavilla reaktioyhtälöillä (1) ja (2). (1) (2) CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + H 2 CO 3 Reaktiossa (1) vapautuvat protonit saavat kalkin hajoamaan (2) monomeerista riippumatta, ja kalsium saostuu anionista riippuen eri suoloina, tässä tapauksessa kalsiumsulfaattina. Protoneista aiheutuvan ongelman ratkaisemiseksi komposiitteja yritettiin myös valmistaa käyttäen ex-situ menetelmää. Siinä tavoitteena oli ensin syntetisoida polymeeri, ja sitten mekaanisesti sekoittaa tämä kalkkiin neutraloinnin jälkeen. Näin saatiinkin säilytettyä kalkin alkuperäinen koostumus, mutta huomattavasti alentuneilla komposiittien konduktiivisuusarvoilla. Komposiiteille, joissa kalkin osuus oli 50 m-%, saatiin johtavuudeksi arvoja σ < 5x10-6 S / cm. Mahdollisten tuotteiden kehittäjille jää harkittavaksi komposiittien johtavuuden ja mekaanisten ominaisuuksien painoarvot. Sovelluksesta riippuen osa näytteistä voisi riittävän hyvin purkaa staattisia varauksia, omaten samalla kohtuullisen hyvät mekaaniset ominaisuudet. Jatkossa voidaan vielä tutkia kalkin ja polymeerien sekoitussuhteita, jotta löydettäisiin sopiva tasapaino johtavuuden ja mekaanisten ominaisuuksien välille. Lisäksi ex-situ menetelmää voitaisiin kehittää vielä niin, että polymeerit saataisiin paremmin sekoitettua täyteaineeseen tai adsorboitumaan CaCO 3 -partikkelien pinnalle konduktiivisuusarvojen parantamiseksi. Viitteet 1. Stejskal, J. ja Gilbert, R. G., Pure Appl. Chem. 2002, 74,

103 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt HYVÄLAATUISTEN OHUTKALVOJEN KASVATUS GRAFEENIOKSIDILLA JA POLYELEKTROLYYTEILLÄ ULTRAÄÄNINEBULISAATION AVULLA Timo Parviainen*, Mikko Salomäki ja Jukka Lukkari Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto Abstrakti Ultraääninebulisaatio on metodi, joka on kustannustehokas, hellävarainen ja skaalautuva, sekä jolla on mahdollista päällystää vesiliukoisia, biologisia, huokoisia tai muuten herkkiä materiaaleja. Tutkittiin metodin käyttökelpoisuutta ohutkerrosten valmistamiseen kahdella erilaisella materiaalilla; grafeenioksidilla ja polyelektrolyyteillä. Oikeiden parametrien löydyttyä saatiin valmistettua hyvälaatuisia ja ohuita kalvoja. Todettiin metodin olevan tehokas, ja sillä olevan potentiaalia muun muassa sensorien valmistamiseen. Johdanto Ultraääninebulisaatio ei ole teknologiana uusi asia, mutta sen käyttö ohutkalvonkasvatuksessa on. Sen mielenkiintoisin ominaisuus on synnyttämän aerosolisuihkun tippakokojen pienuus. Aerosolin nestefaasi on helposti kuivattavissa ennen sen saapumista päällystettävän materiaalin pinnalle, joten kyseessä on kuiva ja hellävarainen päällystysmetodi. Täten se soveltuu monenlaisen vaikeasti päällystettävän, kuten vesiliukoisen tai biologisen materiaalin päällystämiseen. Pieni hiukkaskoko mahdollistaa myös muun muassa huokoisten materiaalien ja hankalan muotoisten esineiden päällystämiseen, varsinkin jos metodi yhdistetään spinpäällystykseen. [1,2] Ohutkerroksia voi tehdä monenlaisista materiaaleista, joista nanorakenteiset grafeenianalogit ja polyelektrolyytit ovat hyviä esimerkkejä. Polyelektrolyyttien etuna on valtava määrä tieteellisestä kirjallisuudesta löytyvää vertailumateriaalia [3], joiden avulla parametritkin saattavat ovat ennustettavissa. Grafeenianalogit, tässä tapauksessa nanopallot ja nanopalloklusterit taas ovat mielenkiintoisia niiden huokoisen rakenteen ja suuren pinta-alan takia. Tässä työssä tarkoituksena oli tutkia ultraääninebulisaatiopäällystystä grafeenioksidilla ja polyelektrolyyteillä. Odotettavissa oli hyvälaatuisia ohutkalvoja, joiden ominaisuudet olisivat muokattavissa ja vähintään vastaisivat aiemmin eri metodeilla valmistettuja. Onnistuessa löytyisivät sopivat parametrit hyvälaatuiselle päällystykselle, ja saataisiin aikaan nanorakenteinen grafeenioksidipinta, joka voisi jatkossa olla funktionalisoitavissa. Materiaalit ja menetelmät Työssä käytettiin Sonaer Ultrasonicsin valmistamaa ultraääninebulisaattorilaitteistoa, johon päällystyksessä käytetyt nesteet ja pesuneste pumpattiin tietokoneohjatusti. Ultraäänikärjen tuottama aerosolisuihku oli suunnattu ohjauskaasuvirtauksen avustuksella N-trimetoksyylisilaanipropyyli-N,N,N-trimetyylammoniumilla funktionalisoidulle, spinnerilaitteistossa pyörivälle piilevylle. Käytettiin muokatulla Hummersin metodilla valmistettua grafeenioksidia [4], joka oli laimennettu 0,6 mg/ml konsentraatioon. Työssä käytettiin myös natriumpoly(styreenisulfonaatin) ja poly(diallyylidimetyyliammonium)kloridin 10 mm vesiliuoksia, joita suihkutettiin piilevylle vuorotellen siten, että välissä tapahtui vedellä tapahtunut pesusuihkutus. Grafeenioksidipäällystettyjä piilevyjä tutkittiin atomivoimamikroskoopilla, skannaavalla elektronimikroskoopilla ja FT-IR -spektrometrillä. Polyelektrolyyttiohutkerroksilla päällystettyjä piilevyjä tutkittiin ellipsometrialla ja atomivoimamikroskoopilla. 99

104 Kemian kevät 2015 Erikoistyöt Tulokset ja johtopäätökset Polyelektrolyyttipäällystys tapahtui pääosin ongelmitta. Tärkeimmät parametrit nebulisaattoriin saapuvan nesteen virtausnopeus ja kokonaistilavuus saatiin optimoitua kvalitatiivisessa tarkastelussa riittävällä tarkkuustasolla. Havaittiin myös, että jos ohutkerros pääsee relaksoitumaan tai kuivumaan kaksoiskerrosten välillä, lopputuloksen laatu heikkenee merkittävästi. Grafeenioksidin tapauksessa havaittiin käytetyn laitteiston olevan riittämätön saamaan aikaan täydellinen nanorakenteinen pinta. Ultraäänikärjestä lähtevä aerosoli ei kerennyt kuivua täysin ennen saapumistaan piilevylle, joten parhaimmilla piilevyillä tulos muistutti dropcast-tyylistä kalvonkasvatusta. Kyseiset parhaat valmistetut ohutkalvot olivat muuten laadultaan hyvä- ja tasalaatuisia, hiukkaskokovaihtelun rajoissa. Aerosolin kuivumisongelma on jatkossa helppo ratkaista käyttämällä pidempiä matkoja, sekä mahdollisesti lämmityselementtiä piilevyn ja ultraäänikärjen välillä. Tällöin aerosolin nestefaasi pääsisi kuivumaan tehokkaammin. Kuva 1. Piilevystä 8 (10 mm PSS ja PDADMAC, 10 kerrosta, 1 ml, 1 ml min -1 ) otettu AFMkorkeusdifferentiaalikuva, 20 * 20 mikrometriä. Taulukko 1. Käytettyjen esiasteliuosten tilavuuden ja virtausnopeuden vaikutus polyelektrolyyttiohutkerrosten kerrospaksuuteen. Piilevy Virtausnopeus / ml min -1 Tilavuus / ml Mittauskerrat a Kerrospaksuus / nm b 1 1,0 1,0 10 7,6 ± 0,1 2 1,0 0,2 10 6,5 ± 0,1 3 1,0 10, ,8 ± 0,4 4 1,0 0,2 1 3,6 ± 0,2 5 1,0 10,0 1 20,4 ± 0,2 6 0,2 1,0 1 15,6 ± 0,1 c 7 5,0 1,0 1 28,5 ± 3,6 d 8 1,0 1,0 1 13,1 ± 0,3 a Ohutkerroksista joko suoritettiin ellipsometriamittaus joka kaksoiskerroksen jälkeen, tai yksi mittaus kymmenen kerroksen jälkeen, b Kymmenen kaksoiskerrosta, kolmen mittauspisteen keskiarvo, c Laskettu vain kahdesta mittauspisteestä, d Suuret RMSE-arvot; tulokset eivät kovin luotettavia Viitteet 1. Stewart-Clark, S. S., Lvov, Y. M. ja Mills, D. K., J. Coat. Technol. Res. 2011, 8, Salomäki, M., Peltonen, T. ja Kankare, J., Thin Solid Films 2012, 520, Schlenoff, J. B., Dubas, S. T. ja Farhat. T, Langmuir 2000, 16, Hirata, M., Gotou, T., Horiuchi, S., Fujiwara, M. ja Ohba, M., Carbon 2004, 42,

105 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät STUDIES ON CATIONIC CONJUGATED POLYELECTROLYTES Sergio Ulises Espinosa Domínguez Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Carita Kvarnström Supervisor(s): Dr. Pia Damlin, Prof. Carita Kvarnström Funding: The Mexican National Council for Science and Technology (CONACyT). Estimated time of PhD dissertation: Main aims of the PhD research Conjugated polyelectrolytes (CPEs) are conjugated polymers (organic molecules with a base structure of alternating single and double/triple bonds) functionalized with ionic groups (cationic or anionic), giving CPEs solubility in polar solvents (e.g. water) but keeping the delocalized electronic structure typical of conjugated polymers, which in solution and solid state generates unique optical and semiconducting properties, tunable by molecular-structure and media. Because of this, since the introduction of the first set of CPEs (almost 30 years ago), these molecules have been applied as fluorescence-based sensors (for temperature, solvent polarity, ph, and chemical or bio-chemical species). Also, CPEs are solution-processable, allowing their use for industrial scale production of different surfaces and devices, using for example layer-by-layer assembly or roll-to-roll printing. Both cationic and anionic CPEs also possess interesting surface-electronic properties (which are not yet well understood), reason why their use as selective layers in electronic and optoelectronic organic devices is a current frontier research field. The aim of this project is to gain understanding on different properties of cationic conjugated polyelectrolytes (CCPE) both in solution (mainly fluorescence-based studies) and solid state (mainly electrochemical and electronic studies), for (i) basic research (e.g. structural and media effects on packing and interactions) and/or (ii) possible applications (e.g. modified electrodes) purposes. The project is currently focused on the analysis of previously experimental data using different experimental and theoretical supporting tools (in collaboration with other research groups), and also generating new experimental results, from studies on composite materials, using mainly the same experimental approaches. Main results so far Figure 1 shows some of the molecules used in this project, while figure 2 shows some experimental results which are specific only for certain molecules, concentration and media. Some of these results are included in the manuscripts currently under preparation (see references), while some others could constitute new manuscripts (this is under evaluation as mentioned before). Figure 2a shows the shifts in oxidation onset (films) and absorption (but not in fluorescence) of solutions of certain homologous CCPEs. Figure 2b shows differences in particle size of homologous CCPEs in function of concentration (this does not affect fluorescence intensity). These two results point into packing differences in function of specific molecular differences and media. On the other hand figure 2c shows the behavior of two homologous CCPEs in presence of increasing concentrations of an anionic quencher (i.e. Stern-Volmer plots) in two different media. The difference observed could be attributed to selective blocking of the charged part of the CCPEs in solution. Finally, figure 2d shows the change in interaction kinetic constants in function of 101

106 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät temperature (i.e. van t Hoff plots) of two CCPEs in two different media. The difference observed between media could be attributed mainly to hydrogen bonding in solution. (a) (b) Figure 1. Some general molecules used in the PhD work, (a) cationic conjugated polyelectrolytes (spacer length not shown) and (b) some anionic molecules used. Shift No shift (a) CCPE 1 (b) CCPE 2 Shift Media 1 (c) Media 2 (d) Media 1 Media 2 Figure 2. Differences in (a) optical/electrochemical properties and (b) particle size between certain homologous CCPE in common media, and differences in (d) Stern-Volmer and (d) van t Hoff plots between certain CCPE (each curve), due to changes in the media. The significance of my research for the research group and the whole research field The molecules used in this PhD project have been used in this research group during more than 10 years now, however not with the approach of the present project, and therefore this work should generate new and valuable information for the group. On the other hand, as explained in the introduction, several CPEs (similar to those used in this project, however with different functional groups) are currently being studied and applied in electronic and optoelectronic applications, evaluating the effect of molecular structure, solubilizing media and solid-state packing, which means that this contribution should be useful for pure and applied research on CPEs. Papers to be included in the PhD thesis 1. Domínguez, S. E., Meriläinen, M., Ääritalo, T., Damlin, P., Kvarnström, C. Effect of media and molecular structure on optical-electrochemical properties of cationic polythiophenes. Manuscript in preparation. 2. Domínguez, S. E., Troshin, P. A., Damlin, P., Kvarnström, C. Solution interactions between cationic polythiophenes and anionic quenchers in different media. Manuscript in preparation. 102

107 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät VIOLOGEN BASED POLYMERS AND COMPOSITES FOR ELECTROCHROMIC DISPLAY APPLICATIONS Bhushan Gadgil Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Carita Kvarnström Supervisor(s): Prof. Carita Kvarnström and Dr. Pia Damlin Funding: Academy of Finland, Graduate School of Chemical Sensors and Microanalytical Systems, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Magnus Ehrnrooth Foundation Estimated time of PhD dissertation: 12/2015 Main aims of the PhD research The main goal of the thesis is to fabricate different viologen/polyviologen (V/PV) materials, V functionalized polymers and composites for their use in electrochromic displays. Electrochromism (EC), an electrically-controlled reversible color change, possesses unique properties for diverse applications including smart optoelectronics, mirrors, displays and solar control windows. In particular, EC windows and mirrors used in automobiles and airplanes have been commercially available for a while. Due to its redox active, intensely colored radical cation formation, (V/PV) materials are ideal candidates for EC applications. Key benefits of viologen (1,1-disubstituted-4,4- bipyridinium dications) in electronic displays are low driving voltage for visual changes, high contrast, no need for backlight unit like LCDs, the possibility of large area displays and simple cell constructions. Inspired by these advantages of V/PV systems, we aimed to synthesize different conducting polymers bearing viologen functionalities or composites of V/PV materials with graphene as thin films on transparent conductors for EC applications. Main results so far In the first task, a thiophene monomer with a pendant cyanopyridine group was synthesized (Figure 1). Due to the difficulties in homopolymerization, electrochemical copolymerization method in order to achieve the desired polymer film with viologen functionality. The copolymer films were fully characterized 1. In order to improve adhesion and insolubility of the above mentioned polymer film, we choose the ionic liquid which dissolves the monomer completely while the polymer film could withstand at the electrode during homopolymerization. We thus successfully achieved the goal of obtaining stable polythiophene film with pendant viologen units. Besides structural characterizations, the EC properties of this film were tested 2. In the order to fully characterize these viologen based films, an in situ ESR/UV-Vis-NIR spectroelectrochemistry was performed at Spectroelectrochemistry Centre, IFW, Dresden, Germany. As a model compound, we synthesized a simple cyanopyridine based monomer. Its electropolymerization in aqueous electrolyte resulted in an ultimate PV film strongly adhered on the electrode surface. The film was characterized by electrochemistry and ESR/UV-Vis-NIR spectroelectrochemistry in order to study redox processes involved in the film 3. Similarly, a spectroelectrochemical study was carried out with a polythiophene derivative bearing pendant viologen. A viologen entity has been found to enhance the overall EC contrast in such materials. The EC study of this polymer bearing viologen functionality led to one article

108 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Figure 1. Structures of the monomers used in the PhD work. The films in our previous works have showed pleasing EC properties which might be useful in display applications. Working on the enhancement in the EC contrast, we have to consider the parameters like color diversity, memory effect, low cost, easy processibilty, low driving voltage and fast response times. In addition, another factor for enhancing the EC performance is the stability of the electrochrome which must undergo many repeatable color changes between colored and bleached states, thus remain operable over long scanning periods. For this reason, we developed composites of viologens with 2D materials like graphene in order to improve the kinetics as well as the electrochrome durability and high coloration efficiency 5. The results showed that the composite assembly would work better in terms of long terms performance of the device (Figure 2). (a) (b) (c) Figure 2. (a)schematic of PV-rGO nanocomposite showing possible interactions. (b) Photographs of the EC switching and (c) Color/bleach characteristics PV-rGO/FTO films at 525 nm. The significance of my research for the research group and the whole research field The afore mentioned research work has been carried out in close collaboration with people working in the functional materials group. Since the mid-eighties, the focus of the research group has been on soft materials like conjugated polymers and macromolecules. My doctoral research work has contributed in developing composites and novel functional polymers for electrochromic applications. In terms of the research field, the contributions are in a way quite broad. The future optoelectronics is in need of flexible and highly stable display materials. This thesis work would certainly offer interesting novel functional materials for ECDs and flexible OLEDs. Papers to be included in the PhD thesis 1. Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T., Kankare, J.; Kvarnström, C. Electrochim. Acta 2013, 97, Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. Electrochim. Acta 2014, 133, Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. accepted to RSC adv Gadgil, B., Dmitrieva, E., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. J. Solid State Electrochem. 2015, 19, Gadgil, B., Damlin, P., Heinonen, M.; Kvarnström, C. Carbon 2015, 89,

109 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät EFFECT OF COMPLEX STRUCTURE ON LUMINESCENCE OF LANTHANIDE COMPLEXES Markus Räsänen Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Material Chemistry and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Keijo Haapakka Supervisors: Dr. Harri Takalo, Prof. Keijo Haapakka and Prof. Emer. Jouko Kankare (optional supervisor) Funding: Doctoral Programme DIA-NET, Turku University Foundation. Estimated time of PhD dissertation: 2016 Main aims of the PhD research The aim of this research is to study the factors that effect on the luminescence properties of the lanthanide complexes. Depending on the ligand, the complexes are strongly luminescent and thus have wide application area including the usage in the bioanalysis. The next topic of this research are stabile Eu(III) chelates used in the immunoassay. The brightnesses of the luminescence of these chelates are very high, even twofold as compared to the commercial DELFIA enhancement solution used widely in the bioassays. The aim of research is to study the effect of the chelate structure on the luminescence properties of the chelates and also to study the reason for the following phenomenon: some of chelates are much brighter in a dried TLC plate than in solution. Figure 1 shows the schematic representation of the energy flow in the excited lanthanide complex. There is conversation in the literature concerning the roles of the charge transfer (CT) states in the energy flow within the lanthanide complexes. The partially purpose of this research is to study the roles of these states in the energy flow. Figure 1. Schematic representation of energy absorption, migration, emission (plain arrows) and dissipation (dotted arrows) processes in a lanthanide complex. 1 S* or S = singlet state, 3 T* or T = triplet state, A = absorption, F = fluorescence, P = phosphorescence, k = rate constant, r = radiative, nr = non-radiative, IC = internal conversion, ISC = intersystem crossing, ILCT = intra-ligand charge transfer, LMCT = ligand-to-metal charge transfer. Back transfer processes are not drawn for the sake of clarity. 105

110 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Main results so far In the first article [1], the photophysical properties of the series of the substituted aromatic β- diketone complexes of Eu(III) were studied, where the substituents were selected because of their different electron donating ability. The electron donating ability had no straightforward effect on the quantum yield of the complexes, so apparently the ILCT-state does not play a role in the energy transfer from the ligand to Eu(III). Instead, the LMCT-state must have a role of importance, namely it quenches the luminescence. Moreover, the complexation of the ligand to a lanthanide ion seems partly to prevent the formation of the ILCT-state which makes possible to excite the Eu(III) ion via triplet state even in the complexes that have the ILCT (and LMCT) -state. In the second article [2], the blue-light excitable ternary Eu(III) complexes and their encapsulation into the polystyrene nanoparticles were studied. The ternary complexes consisted of the most interesting β-diketones used in the first article, the Lewis base (4 -(4-diethylaminophenyl)- 2,2':6',2''-terpyridine) and Eu(III). The complexes can be excited even at 450 nm and thus they can be applied to the biological imaging. Unfortunately, they are not stable in aqueous environments. Because of this, we tried to encapsulate them in to the polystyrene nanoparticles. This attempt was successful meaning that the particles loaded with these ternary complexes can be used the biological imaging. In the third article [3], the ternary complexes of EuEDTA with differently substituted dipicolinic acid (dpas) were studied to evaluate the role of dpas in the luminescence brightnesses of these complexes. These ternary complexes mimic the homogeneous duplex polymerase chain reaction assay concepts for which the dpas are synthetized. The aim of this study is to improve the brightness of the ternary complex of Eu(III) used presently in the assay. Eight of the studied dpas had brighter luminescence than in the assay currently used dpa of which one was nearly three times brighter. The significance of my research for the research group and the whole research field I do the experimental works in my group and plan the necessary measurements together with the group. Ligands and partly complexes are synthetized by others. Broadly, my research hopefully increases the understanding of the factors that effect on the lanthanide luminescence and maybe opens new applications. Papers to be included in the PhD thesis 1. Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Mäkelä, J., Haapakka, K., Kankare, J. J. Lumin. 2014, 146, Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Soukka, T., Haapakka, K., Kankare, J. J. Lumin. 2015, 160, Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Soukka, T., Haapakka, K., Kankare, J. manuscript to be submitted. 106

111 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät ELECTROACTIVE COMPOSITE MATERIALS FOR SUSTAINABLE ENERGY APPLICATIONS Milla Suominen Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Carita Kvarnström Supervisor(s): Dr. Carita Kvarnström and Dr. Pia Damlin Funding: Kiinteistösäätiö Estimated time of PhD dissertation: 2019 Main aims of the PhD research This research focuses on understanding the electrochemical properties of different grapheneconducting polymer composite materials. The ultimate goal is to utilize these composites as active materials in flexible and sustainable energy applications. We will study the use of different conducting polymers (Fig. 1), different electrolyte solutions, different sources and preparation methods for graphene (GO, electrochemical exfoliation of graphite), and different preparation methods for composites (electrodeposition, spin-spray- and Layer-by-Layer techniques) on the composite materials properties. Environmentally friendly and fully organic energy harvesting devices form a base for this PhD research. Main results so far Electrical double-layer capacitors (EDLC), also known as supercapacitors, are promising energy storage devices which offer long cycle life and high power density. Supercapacitors are used as temporary energy storage devices in renewable energy systems, such as wind power plants, as high peak power sources in vehicles, and as an interim power source in autonomous energy harvesting circuits when the primary source is not available. In their electrical performance they align between conventional capacitors and batteries. Their power density (kw/kg) is typically 10-fold compared with Li-ion batteries, and the charge time of a supercapacitor can be of the order of few seconds. Their cycle life can exceed cycles, which is superior to battery cycle life ( cycles). In addition, supercapacitors can use aqueous electrolytes, so they do not contain hazardous or toxic materials which make them green energy storage devices. Among the various materials which have been investigated in these devices, carbon based materials are of great interest owing to their abundance, stability and environmental friendliness. Graphene, one of the newest available carbon allotropes, is an obvious choice for this application offering high specific surface area, high intrinsic electrical conductivity, and good chemical and thermal stability. Although the characteristics of graphene supercapacitors are very encouraging, there are still issues which must be addressed. In particular, the strong tendency of restacking into bigger graphite agglomerates decreases the active surface area of graphene, which results in low energy densities. The energy density in supercapacitors is only about 10 % of the energy density of a typical Li-ion battery. In addition to high performance supercapacitors there is also a great demand for the development of new inexpensive and flexible energy storage devices for soft portable equipment. Conducting polymers are lightweight, they have good tensile strength and they are flexible. However, swelling during cycling reduces their long term performance. This research will address this issue by utilizing graphene/conducting polymer composite structures. Graphene/conducting polymer composites show improved mechanical and electrical properties. 107

112 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät Electrochemistry offers a simple, gentle and versatile method for preparing composites. We have successfully prepared a reduced GO/PEDOT-composite material with a simple one-step electrochemical synthesis method in ionic liquids [1]. GO was also completely reduced by an electrochemical method, which doesn t introduce extra components to the composite that could harm its electrical properties. The composites showed increased electrochemical activity and mechanical stability when compared to pure conducting polymer films. The properties of the composites were also tested in a flexible supercapacitor, and they showed good capacitive behavior and increased stability during cycling [2]. This work was made in collaboration with electronics group in Tampere University of Technology. Figure 1. Structures of conducting polymers that have good capacitive properties. The significance of my research for the research group and the whole research field This PhD research will be performed at Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis in the Group of Applied Materials Chemistry. The group has over 20 years of experience in electrochemical and spectroelectrochemical characterization of semiconducting materials. The use of conjugated polymers and other functional materials with potential for applications in sensors and organic solar cells has been the main lines in the research activity for some years. Successful application of organic materials in electronic devices depends on a thorough understanding of the materials electrochemistry, molecular structure and charge-transfer mechanism. Despite these features being closely related, they are often studied separately. By combining independent measuring techniques several parameters can be recorded simultaneously and a more extensive study can be made on the same sample under identical conditions. Such a combination of techniques has been the focus point of the group. Main emphasis has been on developing in situ measuring techniques for simultaneous electrochemical and spectroscopic (FTIR, Raman) studies suitable for thin film analysis. This enables simultaneous analysis of structural and electronic changes in a material. In devices consisting of composite materials it is inevitable to study the changes in the basic properties and performance of the materials as such and when combined with other materials. Here the spectroelectrochemical techniques play an important role. Though there are many publications on different composite materials performance in applications, the understanding of their electrical properties is still poor. This PhD research will focus on understanding these basic properties better. As was already mentioned, composites exhibit synergistic effect with enhanced charge density, electrical conductivity, and mechanical stability. In addition to supercapacitors, these composite materials can be utilized as active materials in sensors, organic solar cells and electrochromic displays, to mention a few. Papers to be included in the PhD thesis 1. Damlin, P., Suominen, M., Heinonen, M., Kvarnström, C. Ionic liquids for non-covalent modification of graphene sheets in conducting polymer composite materials, submitted manuscript. 2. Lehtimäki, S., Suominen, M., Damlin, P., Tuukkanen, S., Kvarnström, C., Lupo, D., Electrodeposited graphene-pedot composites in printable supercapacitors on plastic substrate, submitted manuscript. 108

113 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät ELECTROCHEMICAL SYNTHESIS AND CHRACTRIZATION OF POLYVIOLOGENS Nianxing Wang Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku Research Director: Prof. Carita Kvarnström Supervisor(s): Dr. Pia Damlin, Prof. Carita Kvarnström Funding: CHEMSEM graduate school, Academy of Finland Estimated time of PhD dissertation: 12/2015 Main aims of the PhD research My research is focused on the electrochemical synthesis of polyviologen materials and the characterization of their properties. In this work, a series of polyviologen materials were synthesized from different cyanopyridine based monomers. The electrochemical properties and structures of the materials were studied by many different techniques, such as electrochemical methods, UV-vis spectroscopy, Atomic Force Microscopy (AFM), FTIR spectroscopy, Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM). Polyviologens have unique redox properties and can work as electrochromic materials and redox mediators. An aim of this research is to design different structures of the polyviologen materials, by adjust the structures the polyviologen materials can be applied as redox active matrices materials different molecules or work as functional in various electronics. Main results so far The viologen has got much attention due to its unique redox property, meaning the viologen can undergo two reversible redox processes showing three different forms, which can be seen in Fig. 1a. Additionally, the viologen can undergo intensive color changes upon reduction in the radical cation form, and the color could be violet or blue depending on the substituted groups, so the viologens were widely utilized in electrochromic devices and sensors. In this work, a series of polyviologen materials have been synthesized and characterized in the previous years. The polyviologens have exhibited good redox properties as shown in Fig 1b. Furthermore, by changing the substitute group, the potentials and the colors of the polyviologens can be turned. The structures of the polyviologens/copolyviologens were also studied. It has been proved that the cavities in a network structures of the polyviologens is controlled by the structures of the monomer, furthermore, the cavity size can also be enhanced by employing an additional monomer to form the copolyviologen. The hybrid film basing on the polyviologen and reduced Graphene Oxide have shown unique electrochemical property, which indicated the polyviologen materials with different cavities can be utilized as the host materials for various materials. Additionally, the polyviologens can also be synthesized with well-ordered structure, which give them more opportunities to work under various conditions. 109

114 Kemian kevät 2015 Väitöskirjatyöntekijät 2,5 2,0 1,5 1,0 5 mv/s 10 mv/s 20 mv/s 50 mv/s 100 mv/s O2 O1 0,5 I / μa 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0 R1 R2-1,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 E vs Ag/AgCl [V] (a) (b) Figure 1. a) Scheme of viologen in its three redox forms. b) The redox response of a polyviologen film. The significance of my research for the research group and the whole research field The research of viologen materials has been mainly focused on the design of the molecules or supermolecules. Different electrochemical synthesis routes have been studied for film formation of polyviologen derivatives. The redox property can be easily turned in the polyviologen materials and the polymer can also work as the immobilization material for other molecules or particles by modifying the fined structure of the polymer backbone. Papers to be included in the PhD thesis 1. Wang, Nianxing, Pia Damlin, Beatriz Meana Esteban, Timo Ääritalo, Jouko Kankare and Carita Kvarnström Electrochemical synthesis and characterization of copolyviologen films. Electrochimica Acta Wang, Nianxing, Anniina Kähkönen, Pia Damlin, Timo Ääritalo, Jouko Kankare and Carita Kvarnström Electrochemical synthesis and characterization of branched viologen derivatives. Electrochimica Acta Wang, Nianxing, Anniina Kähkönen, Timo Ääritalo, Pia Damlin, Jouko Kankare and Carita Kvarnström Synthesis and Characterization of Polyviologen Film on the Linked Self Assembly Monolayer. Submitted to Langmuir. 4. Wang, Nianxing, Zsófi Lukacs, Timo Ääritalo, Pia Damlin and Carita Kvarnström Electrochemical Synthesis of Viologen and Reduction of Graphene Oxide as Composite material in Ionic Liquid, manuscript. 110

115 Kemian kevät 2015 Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit 2 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja 1 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja 4 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja 111

116 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät EPÄORGAANISTA MATERIAALIKEMIAA Dos. Mika Lastusaari ja Dos. Ari Lehtonen Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, Turun yliopisto s-posti: ja Epäorgaanisessa materiaalikemiassa tutkitaan ns. kovia materiaaleja eli materiaaleja, joissa on mukana myös epäorgaaniselle kemialle tyypillisiä alkuaineita. Epäorgaanisen kemian piiriin Turun yliopistossa kuuluvat sekä Harvinaisten maametallien kemian tutkimusryhmä (johtaja: Mika Lastusaari) että Metalliorgaanisen kemian ryhmä (johtaja: Ari Lehtonen). Harvinaiset maametallit (eli lantanidit + Y ja Sc) eivät nimestään huolimatta ole harvinaisia, vaan yleisempiä kuin esimerkiksi Ag tai Au ja yhtä yleisiä kuin vaikka Cr, Cu, Zn, Ni, V, Mo ja W. Näistä kolmea viimeistä tutkitaan metalliorgaanisen kemian ryhmässä. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmissä (Kuva 1) tutkitaan toki myös muita epäorgaanisia yhdisteitä. Hellen Isabella Ari Antti Tero Mika Iko Kuva 1. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmä. Emilia Minnea Loisteaineet Harvinaisten maametallien kemian tutkimusryhmän tärkein tutkimuskohde ovat loisteaineet. Epäorgaaniset loisteaineet ovat toiminnallisia materiaaleja parhaimmillaan, sillä ne muuntavat monenlaista energiaa näkyväksi valoksi, luminesenssiksi. Loisteaineiden tavallisia käyttökohteita ovat mm. näytöt, lamput, laserit, setelien yms. turvamerkinnät sekä lääketieteellinen kuvantaminen. Harvinaisten maametallien kemian ryhmän tutkimuksen pääkohteet ovat kestoluminesenssimateriaalit, joiden arkipäiväisin käyttö on itsevalaisevissa poistumistiekilvissä sekä up-convertoivat loisteaineet, joilla voidaan muuntaa IR-säteilyä näkyväksi valoksi ja jopa UVsäteilyksi. Näitä jälkimmäisiä materiaaleja ryhmässä tutkitaan erityisesti käytettäväksi lääketieteellisessä diagnostiikassa. Ryhmässä tutkitaan myös kummankin edellä mainitun loisteainetyypin soveltamista auringon energian talteenotossa ja muuntamisessa uusiutuvaksi energiaksi. Kasvit ja aurinkokennot eivät nimittäin pysty käyttämään hyväksi IR- ja UV-säteilyä, joten muuntamalla nämä näkyväksi valoksi, voidaan uusiutuvan energian tuottoa parantaa (Kuva 2). Lisäksi tärkeänä tutkimuskohteena ovat epäorgaaniset luonnonyhdisteet eli mineraalit ja niiden johdannaiset. 112

117 Kemian kevät 2015 Tutkimusryhmät Kuva 2. Auringon energian hyväksikäytön parantaminen loisteaineiden avulla. Up-konvertoivat materiaalit Up-konvertoivien materiaalien tutkimiseen ryhmässämme ovat keskittyneet väitöskirja-työntekijät Tero Laihinen, Minnea Tuomisto ja Emilia Palo. Tero tutkii up-konversiota ja sen parantamista käyttämällä eri harvinaisten maametallien yhdistelmiä. Minnean ja Emilian päämääränä taas on saada parannettua IR-energian absorptiota käyttämällä hyväksi d-siirtymämetalleja tai orgaanisia antennimolekyylejä. Tärkein tällä hetkellä tutkittava up-konvertoiva materiaali on NaYF 4 (Kuva 3). Up-konversion osalta tehdään yhteistyötä Turun yliopiston Biotekniikan ja Molekulaarisen kasvibiologian kanssa, koska tavoitteena ovat uudenlaiset lääketieteelliseen diagnostiikkaan soveltuvat määritykset sekä auringon energian käytön tehostaminen. Lisäksi uusiutuvan energian osalta yhteistyökumppaneita on Uppsalan (Ruotsi) ja Kööpenhaminan (Tanska) yliopistoissa sekä norjalaisessa Bioforsk-tutkimuskeskuksessa. Ryhmämme on mukana myös eurooppalaisessa COST-verkostossa The European upconversion network - from the design of photon-upconverting nanomaterials to biomedical applications. 113