Hyppää pääsisältöön

Nobel-tarinoita 5: Jean-Marie Lehn - biologia on molekyylimaailman kehittynein ilmaus

jean-marie lehn
Jean-Marie Lehn jean-marie lehn Kuva: Wikimedia jean-marie lehn

Ranskalainen Jean-Marie Lehn on ollut käynnistämässä kemian haaraa, jossa ideoita napataan biologiasta, ja jossa molekyyleistä pystytään rakentamaan pieniä nanokoneita. Jean-Marie Lehn palkittiin kemian Nobel-palkinnolla amerikkalaisen Donald Cramin ja norjalais-japanilaista syntyperää olevan Charles Pedersenin kanssa vuonna 1987.

Lehn antoi uudelle kemian alalle nimeksi supramolekyylikemia. ”Näin, koska kyse ei ole molekyylien tekemisestä vaan siitä seuraavasta asteesta, jossa jo valmiista molekyyleistä tehdään supermolekyylejä”, hän selittää. Supermolekyyli sisältää useita molekyylejä, jotka yhtyvät superrakenteiksi höllästi, heikkojen voimien, sidosten avulla. Lehn kutsuu tällaista kemiaa kemiaksi ”molekyylin ulkopuolella, beyond the molecule”.

Jotta tällainen idea toimii käytännössä, kemistin täytyy valita täsmälleen oikeat molekyylit. Yksinkertaisimmillaan idea toimii siten, että kemisti ottaa molekyyliä a ja b ja sekoittaa ne astiassa. Tuloksena syntyy haluttu tuote aivan itsestään. Kuumennustakaan ei edes aina tarvita.

”Olemme tehneet kokeita, joissa molekyylit järjestyvät spontaanisti. Sekoitamme oikeat aineet eikä muita toimenpiteitä tarvita, ja lopputuloksena on toivottu tuote”, Lehn kertoo. Useimmiten tilanne on kuitenkin mutkikkaampi ja työ vaatii lukuisia vaiheita. Valmistus voi joskus olla hyvinkin työlästä, kun monimutkaiset rakenteet vaativat suuren määrän työvaiheita.

Molekyylisolmu
Molekyylisolmu Molekyylisolmu Kuva: Wikimedia molekyylisolmu supramolekyylikemiassa

Ioneja supermolekyylijärjestelmässä
Ioneja supermolekyylijärjestelmässä Ioneja supermolekyylijärjestelmässä Kuva: Wikimedia ioneja supermolekyylijärjestelmässä

Yllä olevissa kahdessa kuvassa on supramolekyylirakenteita. Niissä on pallomaisia ioneja hiiliketjujen lomassa. Kokonaisuus pysyy kasassa heikkojen sidosten avulla.

Jotta molekyylit voivat yhtyä tällaisiksi superrakenteiksi, niiden täytyy tunnistaa toisensa. Lehn sanookin, että molekyyleissä on informaatiota, jonka perusteella tunnistus tehdään. Molekyyli sisältää monenlaista informaatiota: kolmiulotteisen muodon, siis arkkitehtuurin, kemiallisen luonteen ja sidokset. Tehdessään supermolekyyliä kemisti ottaa ne kaikki huomioon.

Luonto näyttää mahdollisuuksia kemistille

Supramolekyylikemian parissa työskentelevien kemistien rakennelmat muistuttavat monesti biologisia ratkaisuja.

”Kemisti voi etsiä inspiraatiota luonnosta ja siksi biologia on kemistille varsin tärkeä oppiala. Biologiahan näyttää, mitä kaikkea kemian konstein voidaan tehdä. Biologia on molekyylimaailman kehittynein ilmaus, kyllä siitä kannattaa ottaa oppia”, Lehn perustelee.

Usein kemistit eivät kuitenkaan kopioi biologiaa suoraan, yhden suhde yhteen. Ihka oikeaa DNA:ta on kyllä opittu tekemään laboratoriokonstein, mutta kemistit ovat päästäneet myös mielikuvituksen vallalle ja rakentaneet ihan omia DNA:n kaltaisia kierreportaita, joissa molekyyliportaat ovat heikosti kiinni toisissaan.

Supramolekyylikemia on tuonut ihan uusia näköaloja kemiaan, kun usean molekyylin systeemiin on voitu - heikkojen sidosten avustamana - rakentaa toiminnallisuutta. Varsin suosittuja ovat olleet lukko-avain –periaatteella toimivat molekyyliparit. Kemistit puhuvat tällöin isäntä-vieras –systeemeistä. Tällaisia rakenteli aikoinaan myös nobelisti Donald Cram. Isäntä-vieras –kemiaa tutkitaan tällä hetkellä varsin paljon.

Kaksi molekyyliä nanokapselin sisällä.
Molekyylit ovat nanokapselin sisällä Kaksi molekyyliä nanokapselin sisällä. Kuva: Wikimedia kaksi molekyyliä nanokapselin sisällä.

Supramolekyylikemian konstein on tehty myös pieniä molekyylikoneita, kuten moottoreita ja mäntä-sylinteri –systeemeitä sekä on –off- kytkimiä. Kytkin voidaan aktivoida on-asentoon esimerkiksi valon avulla.

Mielenkiintoisia ovat puunmalliset supermolekyylit, dendrimeerit. Niistä ensimmäisen valmisti saksalainen Fritz Vögtle vuonna 1978. Dendrimeereistä on povattu ratkaisua lääkeaineen hallittuun vapauttamiseen elimistössä, ja siksi niille povataan käyttöä biolääketieteessä.

dendrimeeri
Eräs dendrimeeri dendrimeeri Kuva: Wikimedia Commons dendrimeeri

Hermoston kemia oli alkusysäys

Alun alkaen hermoston kemian tutkiminen sysäsi Jean-Marie Lehnin pohtimaan kemiaa uudesta kulmasta.

”Olin kiinnostunut ihmisen hermoston kemiasta ja varsinkin minua askarrutti, kuinka hermosignaali siirtyy ihmisessä. Aloin miettiä, kuinka voisin kemistinä tutkia sitä. Signaalin siirtyminen hermostossa riippuu natrium- ja kalium-ioneista, ja kun signaali kulkee hermosolun solukalvon läpi, näiden ionien pitoisuudet muuttuvat solun eri puolilla. ”

”Päätimme valmistaa molekyylejä, jotka sitovat valikoivasti kyseisiä ioneja. Se tarkoittaa käytännössä sitä, että meidän piti valmistaa molekyylejä, jotka pystyvät tunnistamaan nämä ionit”, hän jatkaa.

Sopivaksi tunnistusvaihtoehdoksi löytyi tunnetun kemistin Emil Fischerin 1800-luvun loppupuolella esittämä lukko-avain –periaate, jonka mukaan ioni tai molekyyli sopii toiseen molekyyliin kuin avain lukkoon.

”Ionit ovat muodoltaan pallomaisia ja natrium-ioni on pienempi kuin kalium-ioni. Valmistimme sellaisia onkalomaisia molekyylejä, joiden onkaloon jompikumpi ioneista mahtui tunkeutumaan. Ioni meni onkaloon kuin avain lukkoon”, Lehn selittää.

Onkalomolekyylejä Lehn alkoi kutsua kryptandeiksi, joiden sisään ioni kulkeutuu.

”Tämä oli ensimmäinen kerta kun käytimme hyväksi kemiallista tunnistamista, ja onnistuimme tekemään sellaisen molekyylin, joka tunnisti paikalle tulevan ionin. Tämä tapahtui vuonna 1968”, Lehn muistelee.

Idea tuntui sopivan muihinkin tapauksiin. ”Huomasimme, että oikeanmallinen onkalomolekyyli saattoi kätkeä sisälleen myös pallomaisia tai pitkulaisia molekyylejä”.

Tästä avautuivat valtavat näkymät uudenlaiseen kemiaan, jossa erilaisten ratkaisujen tekeminen oli lähinnä kemistin mielikuvituksesta kiinni. Toki matkalla on tarvittu paljon kehitystyötä myös kemian konsteissa. Tällä hetkellä supramolekyylikemia on hyvin aktiivinen ala omine julkaisuineen ja oppikursseineen.

Lehn on tehnyt mittavan uran professorina ja tutkijana Louis Pasteur -yliopistossa Strassbourgissa. Lisäksi hänellä on ollut professuuri Collège de Francessa Pariisissa.
Lehnin mielestä kemian kultainen kausi on vasta tulossa ja koittaa ehkäpä vasta 25. vuosisadalla. Silloin kemia elää kukoistuskauttaan. Tällä hetkellä hänen mielestään kemian kaikkia mahdollisuuksia ei lainkaan ymmärretä.
”Meitä ympäröi monia ihmeellisiä asioita, joita emme vielä ymmärrä, ja jotka perustuvat molekyyleihin ja ovat luonteeltaan monimutkaisia. Kun ymmärrämme paremmin, voimme luoda ympärillemme uutta ja uudenlaista kemiaa”.

Sisko Loikkanen /YLE Tiede

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Uusimmat sisällöt - Tiede