Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Kemiallisia kaavoja

FM Johan Pääkkönen, väitös 30.11.2021: Uusia menetelmiä biopohjaisten kemikaalien valmistukseen

Kemian alaan kuuluva väitöstutkimus tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Joensuun kampuksella.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe?

Työssä ensisijaisesti määritettiin kahden hiilihydraattimetaboliaan osallistuvan entsyymin kolmiulotteiset rakenteet röntgenkristallografialla sekä tutkittiin toisen entsyymin metallinsitomisominaisuuksia massaspektrometrialla. Näillä entsyymeillä on tulevaisuudessa käyttöä teollisissa prosesseissa, joissa voidaan valmistaa monenlaisia kemikaaleja biopohjaisista raaka-aineista fossiilisten lähteiden sijaan. Maapallon fossiiliset varat ovat käymässä vähitellen vähiin, ja fossiilisten raaka-aineiden hinnat ovat nousussa, niin siksi on tärkeää tutkia vaihtoehtoisia menetelmiä.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Escherichia coli -bakteerin D-2-deoksiriboosi-5-fosfaattialdolaasientsyymin (DERA) kolmelle mutantille saatiin määritetyksi kolmiulotteiset rakenteet, joiden perusteella voitiin arvioida, miksi mutaatiot vaikuttavat entsyymin aktiivisuuteen. Yhdessä rakenteessa havaittiin luonnossa tapahtuvan retroaldolireaktion tuotteet entsyymin aktiivisessa paikassa.

Massaspektrometrialla todettiin Caulobacter crescentus -bakteerin ksylonolaktonaasientsyymin (XylC) sitovan rautaa, eikä merkittävissä määrin muita metalleja. Raudalla havaittiin myös olevan merkitys entsyymin katalyyttisessä reaktiossa. Kolmiulotteisissa rakenteissa havaittiin, kuinka rautaioni sekä viisi- ja kuusirenkaiset ligandit sitoutuivat entsyymin aktiiviseen paikkaan. Näiden tulosten perusteella voitiin esittää mahdollinen reaktiomekanismi entsyymin katalysoimalle reaktiolle.

Lisäksi tehtiin teoreettinen työ, jossa kehitettiin simulaatio-ohjelmat yksinkertaisten tasapainoreaktioiden tasapainotilojen kuvaamiseen. Näillä simulaatioilla uskotaan olevan käyttöä opetuksessa, kokeellisten töiden suunnittelussa sekä tulosten oikeellisuuden tarkastelussa.

Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?

Tulosten perusteella on mahdollista kehittää edelleen näiden entsyymien aktiivisuutta tai substraattispesifisyyttä tekemällä mutageneesikokeita.

D-2-deoksiriboosi-5-fosfaattialdolaasia voidaan käyttää hiili–hiilisidosten synteesissä. Esimerkiksi asetaldehydejä yhdistämällä saadaan aikaan yhdisteitä, joissa on pidempiä hiiliketjuja ja joita voidaan käyttää edelleen uusien synteesien lähtöaineina.

Ksylonolaktonaasia voidaan hyödyntää prosesseissa, joissa biomassan osia muunnetaan hyödyllisiksi kemikaaleiksi, esimerkiksi materiaaleiksi, lääkeaineiksi tai räjähdysaineiksi.

Kuvaile väitöstutkimuksesi prosessia.

Kokeellinen työ liittyi yhteistyöprojektiin, johon kuuluu VTT:llä ja Itä-Suomen yliopistossa kemian laitoksella työskentelevät tutkimusryhmät. VTT:llä tehtiin entsyymien tuotto sekä D-2-deoksiriboosi-5-fosfaattialdolaasin mutageneesi- ja aktiivisuuskokeet. Tein itse kaikki väitöskirjassa kuvatut kokeet.

Entsyymien kolmiulotteiset rakenteet määritettiin röntgenkristallografialla. Entsyymit kiteytettiin, kiteet mitattiin röntgendiffraktiolla ja diffraktiodatan perusteella laskettiin kiderakenteet. Rakenteiden resoluutiot olivat niin korkeat, että joitakin pinta-alueita lukuun ottamatta suurimmat osat rakenteista voitiin mallittaa yksittäisten vetyä raskaampien atomien tarkkuudella.

Ksylonolaktonaasin metallinsitomiskokeet ja reaktiokokeet tehtiin massaspektrometrialla. Massaspektrometrissä liuosmuotoiset näytteet höyrystettiin, ionisoitiin ja tunnistettiin, ja kustakin mittauksesta saatiin massaspektri. Massaspektristä voidaan päätellä, mitä yhdisteitä näytteessä on ollut, ja näin voidaan tunnistaa esimerkiksi reaktioiden lähtöaineita ja tuotteita tai proteiinin eri muotoja.

Simulaatio-ohjelmat toteutettiin internet-sivuina, joita voi käyttää millä tahansa tietokoneella tai mobiililaitteella. Varsinainen matemaattinen ajatustyö tehtiin perinteisesti kynällä ja paperilla, ja ohjelman ulkoasu ja laskenta tehtiin HTML- ja JavaScript-koodilla.

FM Johan Pääkkösen kemian alaan kuuluva väitöskirja Metal and ligand binding properties of two enzymes in carbohydrate metabolism: Escherichia coli D-2-deoxyribose-5-phosphate aldolase and Caulobacter crescentus xylonolactonase (Kahden hiilihydraattimetabolian entsyymin metallin- ja ligandinsitomisominaisuuksia: Escherichia coli D-2-deoksiriboosi-5-fosfaattialdolaasi ja Caulobacter crescentus ksylonolaktonaasi) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 30.11.2021 klo 12 Joensuun kampuksella, Natura, N100. Vastaväittäjänä toimii professori Lari Lehtiö, Oulun yliopisto, ja kustoksena professori Juha Rouvinen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on suomi ja sitä voi seurata verkossa.

Lisätietoja:

Johan Pääkkönen, johan.paakkonen (a) uef.fi

Väittelijän painolaatuinen kuva

Tilaisuus verkossa

Väitöskirja verkossa

Johan Pääkkönen

Nuorempi tutkija

Avainsanat