7.9.2015

Entsyymien kolmiulotteinen rakenne lumoaa tutkijan

Akatemiatutkija Nina Hakulinen innostui kemiasta ja luonnontieteistä tosissaan lukiossa opiskellessaan. Hakulinen naurahtaa muistellessaan kesätyöpaikkaansa Nesteen Porvoon tuotantolaitoksilla:

”Haltioiduin massaspektometrilaitteesta ja päätin siltä seisomalta ryhtyä kemistiksi. Yliopistoon päästyäni hakeuduin ensin kemian opettajan suuntautumisvaihtoehtoon, luultavasti siksi että koin opettajan ammattikuvan selkeäksi. Myöhemmin tajusin kuitenkin olevani sielultani tutkija. Etenkin gradua tehdessäni proteiinien rakennetutkimus imaisi minut täysin mukaansa.”

Hakulinen opiskeli yliopistossa pääaineenaan kemiaa ja sivuaineinaan biologiaa, biokemiaa, fysiikkaa ja ympäristönsuojelua.

”Jo graduaikana pääsin Juha Rouvisen ryhmään tutustumaan proteiinien kiteyttämiseen rakennetutkimuksia varten ja jatkoin sen jälkeen välittömästi tohtoriopintoihin. Tohtoriksi valmistuin Joensuun yliopistosta vuonna 2013, väitöskirjassani keskityin puuta hajottavien entsyymien rakennebiologiaan. Rakennebiologia on tutkimusala, jossa pyritään ymmärtämään proteiinien toimintaa niiden kolmiulotteisten rakenteiden avulla.”

Entsyymit, nuo solujen taitavat pikkukemistit, kiinnostivat Hakulista jo varsin varhaisessa vaiheessa opintoja.

Ksylanaasit parantavat rehujen sulavuutta ja proteaasit tehostavat pyykinpesua

Hakulisen tutkimuskohteena ovat erityisesti teolliset entsyymit.

”Entsyymit ovat biokatalyyttejä, jotka nopeuttavat kemiallisia reaktioita. Useita erilaisia entsyymejä hyödynnetään teollisuudessa jo melko laajasti. Esimerkiksi ksylanaaseilla parannetaan rehujen sulavuutta ja proteaaseilla irrotetaan likaa pyykinpesussa. Ksylanaasien avulla vähennetään myös valkaisukemikaalien määrää paperiteollisuudessa.”

Lisäksi entsyymien avulla voidaan tuottaa esimerkiksi uusiutuvista raaka-aineesta polttoaineita ja näiden biopolttoaineiden tuottamiseen onkin nyt ladattu aikamoisia odotuksia. Sellulaaseilla ja ksylanaaseilla hajotetaan lignosellulolyyttistä biomassaa sokereiksi, joista puolestaan saadaan käymisprosessilla bioetanolia. Koko ajan yritetään myös löytää uusia entsyymejä erilaisten biomassojen tehokkaaseen hyötykäyttöön. Entsyymien avulla voidaan tehostaa bioetanolin ja muiden biopolttoaineiden tuottamista puuperäisistä biomateriaaleista.

Kun entsyymin rakenne ja erityisesti sen aktiivinen paikka tunnetaan, voidaan sen teollisuuskäyttöä yrittää tehostaa muuttamalla sen ominaisuuksia johonkin haluttuun suuntaan.

”Itse olen yhtenä keksijänä mukana patentissa, jossa on esimerkiksi muokattu merkittävää teollisuusentsyymiä lämpöä kestävämmäksi”, mainitsee Hakulinen. 

 

Elektronitiheyskartta paljastaa entsyymin kolmiulotteisen rakenteen

Jotta entsyymien toimintaa voitaisiin ymmärtää ja mahdollisesti tehostaa, täytyy niiden kolmiulotteinen rakenne tuntea.

”Rakennemäärityksessä tehokkain ja käytetyin menetelmä on edelleen röntgendiffraktio. Menetelmä vaatii, että entsyymi on ensin kiteytettävä. Tämän jälkeen kidettä säteilytetään röntgenillä ja sironnut säteily kerätään ilmaisimelle diffraktiokuvioiksi. Kun faasi-informaatio on selvitetty, saadaan laskettua elektronitiheyskartta.”

Juuri elektronitiheyskartta paljastaa entsyymin kolmiulotteisen rakenteen kaikkineen hienoine yksityiskohtineen.

Tällä hetkellä Hakulisen tutkimuskohteena ovat erityisesti hapettavat entsyymit, jotka käyttävät hapetusreaktioissa hyväkseen happea. Hapettavia entsyymejä on Hakulisen mukaan toistaiseksi tutkittu ja hyödynnetty melko vähän.

”Olemme saaneet ratkaistua muun muassa katekolioksidaasi-entsyymin kiderakenteen. Tämä entsyymi hapettaa fenolisia yhdisteitä vastaaviksi kinoneiksi. Katekolioksidaasi kuuluu samaan entsyymiperheeseen tyrosinaasin kanssa. Myös tyrosinaasi hapettaa fenolisia yhdisteitä, mutta näillä kahdella eri entsyymillä on kuitenkin erilainen substraattispesifisyys. Rakenteen kautta pyrimme ymmärtämään syitä tähän erilaiseen substraattispesifisyyteen. Tyrosinaasin hyödyntämistä muun muassa elintarviketeollisuudessa on jo tutkittu, mutta katekolioksidaasilla ei vielä ole teollisia sovelluksia. Katekolioksidaasin rakenne selventää kuitenkin koko tätä entsyymiperhettä ja siihen kuuluvien entsyymien toimintaa. ”

”Tutkimme parhaillaan myös arabinonaatti- ja ksylonaattidehydrataaseja, jotka eivät ole hapettavia entsyymejä, mutta liittyvät osaltaan biomassan sisältämien sokereiden muokkaamiseen. Molemmista on jo saatu kiderakenteet, mutta näiden entsyymien toiminnan ymmärtämiseksi vaaditaan vielä lisätutkimuksia.”

Tutkittavaa siis riittää.

Mahdollisuus muuttaa maailmaa motivoi

Hakulinen toteaa ympäristöystävällisten entsyymien ja niiden käytön lisäämisen sekä tehostamisen sopivan hyvin omaan ideologiaansa.

”Kemian opiskelussa minua kiinnosti nimenomaan mahdollisuus muuttaa maailmaa paremmaksi. Sen saavuttaminen voi olla vaikeaa, mutta haluan silti jatkaa yrittämistä.”

Tutkimustyö tuottaa jatkuvasti pieniä yllätyksiä. Esimerkkinä Hakulinen mainitsee dehydrataasientsyymin rakenteen: ”Elektronitiheys paljasti tästä entsyymistä aivan uutta tietoa. Sen aktiiviseksi paikaksi osoittautui ihan muu kuin mitä oli aiemmin ajateltu.”

Yllätykset ovat tutkijan työn suola.

”Vaikka olen tutkimusurani aikana ehtinyt törmätä odottamattomiin tuloksiin jo useaan kertaan, niin aina se on silti yhtä kiehtovaa kohdalle sattuessaan.”

Tutkijan työn muiksi innostaviksi puoliksi Hakulinen mainitsee jatkuvan uuden oppimisen, inspiroivien tutkijakollegojen tapaamisen sekä yhteistyön innokkaiden opiskelijoiden kanssa. ”Tunne vahvistuu etenkin hyvien ja merkityksellisten tutkimustulosten myötä, joita jahtaamme välillä myös sisukkaasti hammasta purren.”

Sattumuksille on hyvä jättää tilaa

Intensiivisen työn vastapainoksi tutkijakin kaipaa välillä lepoa. Hakulisen kesäloma sisälsi retkeilyä perheen kanssa Oulangan kansallispuistossa, kesätapahtumia kuten Porijazz ja Kontufolk sekä leppoisia päiviä puutarhassa ja kasvimaalla.

”Elokuun loppupuolella lähden työmatkalle Kroatiaan, jossa osallistun konferenssiin. Sen jälkeen viimeistelen keskeneräisiä julkaisuja. Syksyllä ohjaan kahta gradua ja kahta väitöskirjaa. ”

Tutkijan uraa pohtiville nuorille Hakulisella on viesti: ”Opintoja ja työuraa on hyvä suunnitella tarkkaan, mutta silti onnekkaille ja luoville sattumille kannattaa jättää tilaa kalenterissa. Sama pätee kyllä tutkimukseenkin, tilaisuuteen tulisi osata tarttua! Vaikka tutkimustulos ei olisi hypoteesin mukainen, se voi silti olla ihan yhtä arvokas tai jopa arvokkaampi.”

Teksti: Terhi Loukiainen

Kuvat: Jari Ruotsalainen, Anni Lehmuskero, Sharmin Farjana

Viimeksi muokattu 7.9.2015

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi