JUHLALUENTO Arkipäivän supramolekyylikemiaa mistä kemisti saa inspiraationsa?

Transkriptio

1 JUHLALUENTO Arkipäivän supramolekyylikemiaa mistä kemisti saa inspiraationsa? Arvoisa vararehtori, hyvä yleisö, Mitä supramolekyylikemia on? Kemian nobelisti Jean-Marie Lehn määritteli 1970-luvulla supramolekyylikemian yksittäisen molekyylin ylittäväksi kemiaksi eli molekyyliryhmien ja molekyylien välisten vuorovaikutusten kemiaksi. Ihmistieteiden termein supramolekyylikemiaa voidaankin kutsua molekyylien sosiologiaksi, yhteisöllisiä ryhmiä ja yhteiskuntia sekä niiden perustana olevaa yksilöiden käyttäytymistä tutkivaksi tieteenalaksi. Supramolekyylikemian ilmiöt eivät siis ole uusia, vaan niitä tutkittiin jo kauan ennen kuin niitä keksittiin kutsua nimellä supramolekyylikemia: Sir Humphrey Davyn ja Michael Faradayn 1800-luvun alkuvuosina tutkimat kloorihydraatit ovat luokiteltavissa supramolekulaarisiksi klatraateiksi, vuorovaikutteisista molekulaarisista komponenteista muodostuviksi verkostorakenteiksi, jotka sulkevat sisäänsä toisenlaisia molekyylejä. Klassisiin supramolekyylikemian käsitteisiin kuuluu myös nobelisti Emil Fischerin lukko ja avain periaate 1890-luvulta, joka loi pohjan supramolekulaarisille isäntä-vieras -tunnistusmekanismeille ja selektiivisyysperiaatteelle, ja tarjosi toimivan mallin biologisille tunnistusprosesseille, erityisesti reseptori-substraattivuorovaikutukselle. Vaikka luonnon supramolekulaariset ilmiöt, esimerkiksi DNA:n rakenne ja vetysitoutuminen, olivat aktiivisen tutkimuksen kohteena pitkin 1900-luvun alkuvuosikymmeniä, vasta keinotekoiset makrosyklit eli molekyylimittakaavassa suurehkot rengasrakenteiset yhdisteet ja 1970-luvuilla nostivat alan aktiivisen kemian tutkimuksen kohteeksi. Alan pioneerit, 1987 Nobel-palkitut Donald Cram, Charles Pedersen ja Jean-Marie Lehn valmistivat tuolloin tutkimusryhmissään useita supramolekyylikemian keskeisiä makrosyklisiä yhdisteryhmiä ja tutkivat niiden vuorovaikutus- ja kompleksointiominaisuuksia. Cramin, Pedersenin ja Lehnin tutkimustyön merkittävyyttä kuvaa se, että ko. yhdisteryhmiä tutkitaan vieläkin, nykyisin osana alati suurenevia ja monimutkaisempia järjestelmiä. Myös omassa

2 tutkimusryhmässäni on hyödynnetty Pedersenin kruunueetterien ainutlaatuisia ominaisuuksia osana suurempia molekyylejä. Supramolekyylikemian nousukausi ajoittuu 1990-luvulle, jolloin alan julkaisujen vuosittainen määrä nousi muutamassa vuodessa joistakin sadoista tuhansiin vuosittaisiin julkaisuihin. Kirjallisuuden määrä näyttää vakiintuneen vuoden 2005 jälkeen n vuosittaiseen julkaisuun. Supramolekyylikemia on siis edelleen kehittyvä ja kasvava tieteenala, jonka alle toisaalta niputetaan perinteikkäitä, aiemmin muilla nimillä tunnettuja kemian tutkimusaloja, mutta joka toisaalta poikii uusia tutkimusaloja, yhtenä viimeisimmistä nanokemia ja laajemmin nanotieteet, joiden yhtymäkohdat supramolekyylikemiaan ovat ilmeisiä. Miksi supramolekyylikemia kiinnostaa, mikä on sen yhteys arkielämään ja ympäristöön? Supramolekyylikemiaa kutsutaan usein myös luontoa jäljitteleväksi kemiaksi, sillä monet supramolekyylikemian ilmiöt ja supramolekyylikemistien valmistamat molekyylit ovat yksinkertaistettuja malleja luonnon monimutkaisista ilmiöistä ja biomolekyyleistä. Jo lukiossa opetetaan DNA:n kaksoiskierteen ja proteiinien kolmiulotteisen rakenteen perusta ja selitetään, miksi maapallolla on elämää eli miksi molekyylikooltaan pieni vesi, H 2 O, esiintyy muodostamiensa vetysidosten takia maapallon keskimääräisissä olosuhteissa nesteenä tai kiinteänä eikä kaasuna, kuten vaikkapa molekyylipainoltaan liki kaksinkertainen happi O 2. Supramolekyylikemia perustuu näihin samoihin ilmiöihin, molekyylien välisiin heikkoihin vuorovaikutuksiin, joita sosiologiavertausta edelleen käyttäen voidaan verrata vaikkapa ihmisten keskinäisiin vuorovaikutussuhteisiin. Molekyylien välisistä vuorovaikutuksista sekä biologisesti että perinteisen supramolekyylikemian kannalta tärkein on edellä mainittu vetysitoutuminen. Vetysidokset ovat olemassaolomme perusedellytys ja yhtälailla niitä on syystä kutsuttu supramolekyylikemian yleisavaimiksi niiden monipuolisuuden, ennustettavuuden ja lukuisten hyödyntämismahdollisuuksien takia. Monet supramolekyylikemiassa tutkitut ilmiöt, esimerkiksi edellä mainittu isäntä-vieras - kemia sekä nanotieteissäkin merkittävän aseman saanut itsejärjestäytyminen pohjautuvat usein vetysidosten hyödyntämiseen aivan kuten luonnossa DNA:n ja

3 RNA:n emäsparien pareittaisen vetysitoutumisen kautta tapahtuva järjestäytyminen helikaaliseksi kaksoiskierteeksi. Voidaankin hyvällä syyllä sanoa, että DNA:n emäsparien vetysitoutuminen on toiminut inspiraationa itsejärjestäytymisen käsitteelle ja sen mallintamiselle synteettisten molekyylien ja DNA:n emäsparien rakennetta muistuttavien molekyylien avulla. Jos vetysidokset ovat supramolekyylikemian yleisavaimia, on toinen merkittävä vuorovaikutustyyppi, metallikoordinaatio, supramolekyylikemian yleisliima. Metallikoordinaatioon pohjautuvat supramolekyylikemian järjestelmät ovat myös merkittävien biologisten prosessien innoittamia: metalli-ionit toimivat luonnossa useissa entsyymeissä, vastaavat elimistön signaalintuotantoprosesseista, ovat oleellisena osana joitakin vitamiineja, kuten B 12 -vitamiinia, toimivat hemoglobiinissa hapen sitoutumispaikkana ja fotosynteesissä oleellisena osana energiansiirtoa. On sanomattakin selvää, että nämä biologiset prosessit ovat inspiroineet kemistejä suunnattoman paljon ja esimerkiksi klorofylleistä ja hemoglobiinista löytyvä tetrapyrrolirakenne on ollut lukemattomien keinotekoisten metallikompleksirakenteiden peruskomponentti ja saanut kemistit suunnittelemaan ja valmistamaan niille keinotekoisia vastineita. Miksi supramolekyylikemian tutkimus on tärkeää? Tehokkuudessa ja biologisten järjestelmien taidokkuudessa emme mitenkään voi kilpailla evoluution kanssa, joten miksi kemisti siitä huolimatta haluaa tutkia näitä ilmiöitä ja kehittää evoluution vuosimiljoonien aikana huippuunsa hioutuneille tuotteille keinotekoisia malleja ja vastineita? Luonto tekee yhä kaiken paremmin kuin kemisti: entsyymien sitoutumispaikkojen sitoutumisvakiot ovat moninkertaisia verrattuna keinotekoisten isäntämolekyylien affiniteettiin vierasmolekyylejä kohtaan, energiansiirto- ja varastointiprosessit ovat moninkertaisesti tehokkaampia kuin parhaimmissakaan keinotekoisissa aurinkokennoissa ja solujen toiminta sofistikoitunutta komponenttien yhteistyötä. Ihmisen luontainen uteliaisuus ajaa meidät kuitenkin yrittämään luonnon prosessien keinotekoista jäljittelyä, aluksi ymmärtääksemme yksinkertaisten mallien avulla, mikä missäkin prosessissa on oleellista, mikä on minimivaatimus sille, että hemogolobiini sitoo happea tai että hermoston välittäjäaine asetyylikoliini sitoutuu

4 asetyylikoliinireseptoreihin. Tällainen tutkimus tuo meille uutta, perustavaa laatua olevaa tietoa niistä monimutkaisista prosesseista, joita biologisissa järjestelmissä esiintyy ja joita alati kasvava tietokoneiden laskentakapasiteetti ei riitä vieläkään mallintamaan riittävällä tarkkuudella eivätkä mikroskopiatekniikat tuomaan näkyviksi. Näillä yksinkertaisimmilla malleilla, verrattakoon niitä vaikkapa pienoismalleihin, saamme uutta tietoa ymmärtääksemme malliemme esikuvien toimintaa paremmin ja kehittääksemme edellä mainittuja tekniikoita niin, että todellisten prosessien tutkiminen sillä tarkkuudella, kun niitä haluamme ymmärtää, tulee mahdolliseksi. Toinen, vähintäänkin yhtä merkittävä syy supramolekyylikemian alan tutkimukselle, on supramolekulaaristen tunnistus- ja kuljetusominaisuuksien hyödyntäminen esimerkiksi lääketieteessä. Kaikille tuttujen antibioottien toimintamekanismi pohjautuu supramolekyylikemian ilmiöihin: valinomysiinin, luonnon oman antibiootin, toiminta perustuu sen kykyyn häiritä bakteerien solukalvon ionitasapainoa sitomalla selektiivisesti kaliumioneja, aivan kuten sopivan kokoiset ja sopivasti funktionalisoidut supramolekulaariset makrosyklitkin tekevät. Sulfa-antibiootit taas estävät bakteerien foolihapposynteesin sitoutumalla para-aminobentsoehapon sitoutumispaikkaan estäen näin foolihapposynteesin kannalta oleellisen yhdisteen sitoutumisen. Vähintäänkin yhtä merkittäviä ovat monet syöpälääkkeet, esimerkiksi platinaa sisältävät kompleksit, kuten cisplatina, joka sitoutuu tiettyjen syöpäkasvaimien DNA:han ja aiheuttaa DNA:han kiertymän, jota DNA:ta korjaavat entsyymit eivät tunnista eivätkä siten pysty korjaamaan, johtaen syöpäkasvaimen kuolemaan. Platinayhdisteiden haittana on kuitenkin niiden myrkyllisyys, joka aiheuttaa vakavia sivuvaikutuksia, esimerkiksi cisplatinan tapauksessa kuulovaurioita ja jopa munuaisvikaa. Tämän takia uusien, haitattomampien lääkeaineiden, kuten karboplatinan, kehittäminen on välttämätöntä. Vaikka lääkeaineiden tuotekehitys on suurelta osin klassista orgaanista synteettistä kemiaa, on niiden toiminnan mallinnus ja synteesisuunnittelu vaikutuskohteen avulla jälleen supramolekyylikemian alaan kuuluvaa: esimerkiksi cisplatinan toiminta voitiin mallintaa yksinkertaisella guanosiinidinukleotidimallilla ja myöhemmin varmentaa DNA-cisplatina kompleksin kiderakenteen avulla. Lääkekehityksen ja supramolekyylikemian yhtymäkohdat ovat siis ilmeisiä: yhtään lääkeainetta ei kannata kehittää tutkimatta, mihin sen edellytetään sitoutuvan ja miten, jotta haluttu vaikutus saavutettaisiin.

5 Mihin supramolekyylikemia on menossa, mikä on sen tulevaisuus? Supramolekyylikemia, myös omassa yliopistossamme, on integroitunut osaksi nanotieteen tutkimusta. Suurimmat supramolekyylikemian järjestelmät ovat kooltaan nanokokoisia ja supramolekyylikemian oleelliset periaatteet, esimerkiksi itsejärjestäytyminen, ovat myös nanokemian perusilmiöitä ja hyödynnettävissä nanokokoisten järjestelmien, laitteiden ja komponenttien valmistuksessa. Nanomateriaalien, kuten hiilinanoputkien ja grafeenin hämmästyttävät ominaisuudet ovat vieneet materiaalipohjaisen supramolekyylikemian, fysikaalisen kemian ja fysiikan tutkimusta harppauksin eteenpäin viimeisen kymmenen vuoden aikana. Kaukaisempi, mutta kiinnostava sovelluskohde ovat molekyylitason koneet ja laitteet, joiden odotetaan mullistavan tiedonsiirtoa, lääkeaineiden kuljetusta ja energiansiirtoa toimimalla entistä tehokkaammin, nopeammin ja pienemmässä mittakaavassa. Vielä toistaiseksi molekyylijunat, -karusellit, -lihakset, -kytkimet ja -sukkulat ovat pääasiassa akateemisia kuriositeetteja, osoituksia tiedenaisten ja miesten kyvystä valmistaa molekyylimittakaavan toiminnallisia laitteita, joiden toimintaa voidaan kontrolloida ulkoisilla ärsykkeillä. Odotettavissa kuitenkin on, että nämä perustutkimuksen helmet tuottavat tulevaisuuden innovaatioita ja keksintöjä. Perustutkimuksen merkitystä ei siksi kyllin voi korostaa: ilman vankkaa perustutkimusta ja laadukasta ja riittävän monialaista koulutusta emme voi saavuttaa niitä tulevaisuuden innovaatioita, joita meiltä odotetaan: yksikään keksintö ei synny ilman ilmiöiden ja toiminnan ymmärrystä. Mistä kemisti siis saa inspiraationsa? Luonnosta, luonnonilmiöistä, halusta ymmärtää, miten maailma ympärillämme toimii ja miten voimme vaikuttaa monimutkaisiin prosesseihin, jotka ylläpitävät tai tuhoavat elämää. Tai yksinkertaisesti vain siitä ymmärryksestä, miten kaunista tiede on, kun silmälle näkymätön tehdään näkyväksi. Kiitos.