Tiedotteet

Näytä tiedotekategoriat

Etusivu » Tiedotteet » Tiede ja tutkimus » Entistä parempia biosovelluksia kultananopartikkelien avulla

Suomen Akatemia

Entistä parempia biosovelluksia kultananopartikkelien avulla

Tiedote.
Julkaistu: 02.08.2012 klo 13:12
Julkaisija: Suomen Akatemia

Entistä parempia biosovelluksia kultananopartikkelien avulla

 

Kultananopartikkeleita suojaavan molekyylikerroksen vaihtoreaktioiden atomitason mekanismien selvittäminen auttaa tutkijoita kehittämään entistä paremmin esimerkiksi biosovelluksiin soveltuvia funktionalisoituja kultananopartikkeleita. Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen ja Coloradon osavaltion yliopiston tutkijat ovat selvittäneet näitä mekanismeja. Tutkimus tehtiin professori Chris Ackersonin ja professori Hannu Häkkisen ryhmien yhteistyönä ja julkaistiin sarjassa Journal of the American Chemical Society[1]. Suomen Akatemia on rahoittanut tutkimusta akatemiahankkeena vuodesta 2008.

Tutkimuksessa käytettiin vesiliukoisella merkaptobentsoidihapolla päällystettyä kultananopartikkelia, jossa on 102 kulta-atomia ja 44 suojaavaa ligandimolekyyliä (kuva). Tämän partikkelin atomitason rakenne saatiin selville viisi vuotta sitten Roger D. Kornbergin ryhmän rakennetta selvittävissä röntgendiffraktiotutkimuksissa, jotka julkaistiin Science-lehdessä vuonna 2007[2]. Häkkinen johti laajaa kansainvälistä tutkijajoukkoa, joka selvitti tämän partikkelin elektronirakenteen ja sen stabiilisuuteen vaikuttavat syyt. Tutkimus julkaistiin arvostetussa amerikkalaisessa julkaisusarjassa Proceedings of the National Academy of Sciences vuonna 2008[3].

Nyt raportoidussa tutkimuksessa Ackersonin ryhmä altisti kultananopartikkelin liuokselle, johon oli sekoitettu merkaptobentsoiditiolista hieman poikkeavaa bromibentseenitiolia. Tällaisessa seosliuoksessa kultapartikkelin ligandikerroksen tiolimolekyylit alkavat vaihtua alkuperäisestä molekyylistä uuteen. Ligandikerroksen vaihtoreaktiota ajettiin noin viisi minuuttia, jonka jälkeen kultananopartikkeliliuoksesta saatiin kiteytettyä heterogeenisiä mutta hyvälaatuisia uusia kiteitä, joista osittain ligandivaihdettujen kultananopartikkelien atomirakenne saatiin selville. Kiderakenteen analyysi paljasti, mitkä ligandit vaihtuvat todennäköisimmin lyhyen reaktion aikana, toisin sanoen mistä ligandikerroksen alueesta vaihtoreaktio alkaa (ks. kuva). Häkkisen ryhmä mallitti vaihtoreaktioita tiheysfunktionaaliteoriaa ja massiivista rinnakkaislaskentaa käyttäen. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että tutkitun kultananopartikkelin ligandikerrosta voidaan funktionalisoida kontrolloidusti vaihdettavien tiolien määrää ja reaktioaikaa säätelemällä.

Tutkimus osoittaa myös mielenkiintoisen analogian ligandisuojattujen kultananopartikkelien ja proteiinien välillä. ”Kultananopartikkelin atomirakenne muistuttaa proteiinien rakennetta siten, että partikkelilla on tietty epäorgaaninen molekyylirunko, jonka ympärille kiinnittyvää ligandikerrosta voidaan kemiallisesti muokata. Aivan samalla tavalla proteiineilla on hyvin määritelty orgaaninen runkorakenne, johon kiinnittyviä aminohapporyhmiä voidaan kemiallisesti muokata ja täten vaikuttaa proteiinin ominaisuuksiin”, vertaa Ackerson.

"Käytämme nyt saatua tietoa tutkimustemme seuraavassa vaiheessa. Silloin tavoitteena on valmistaa kultapartikkeleita, joiden pinnalla on sekä vettähylkiviä että vesihakuisia ligandeja tarkasti halutuissa paikoissa. Liitämme näitä partikkeleita viruksiin ja käytämme niitä jatkossa Jyväskylän yliopistossa virusten rakenteen tarkkuuskuvauksessa ja viruksen toimintaan vaikuttavina kemikaaleina”, kertoo Häkkinen.

Muutaman nanometrin kokoluokkaa olevilla kultapartikkeleilla on sovelluksia katalyytteinä, optisen signaalin herkistäjinä, fotoniikassa, bioleimoina, lääkeaineiden kuljettajina ja molekyylielektroniikan komponentteina. Kemiallisesti suojattuja partikkeleita valmistetaan kultasuolasta liuoksessa, joka sisältää partikkelin pinnalle kiinnittyviä stabiloivia orgaanisia ligandimolekyylejä.

Erityisen stabiileja partikkeleja voidaan valmistaa käyttämällä rikkiä sisältäviä tioleja, koska tiolin rikkipää muodostaa vahvan kemiallisen sidoksen kultaan. Tioleilla stabiloitujen kultapartikkelien synteesi on ollut tunnettua jo 1990-luvun puolivälistä lähtien ja synteesin tiedetään tuottavan useita erikokoisia stabiileja partikkeleja kokoluokassa 1-3 nanometriä.  Partikkeleita suojaavaa orgaanista molekyylikerrosta voidaan muokata ligandin vaihtoreaktioilla, jolloin partikkelin pinta voidaan funktionalisoida sovelluksesta riippuen esimerkiksi osittain vettä hylkiväksi tai osittain vesihakuiseksi. Reaktioiden yksityiskohtaiset atomitason mekanismit ovat ennen tätä tutkimusta olleet tutkijoilta salassa.

Julkaisun muita kirjoittajia olivat Jyväskylän yliopistossa Sami Malola ja Ville Mäkinen sekä Coloradon valtion yliopistossa Christine Heinecke, Thomas Ni ja Andrea Wong. Kultapartikkelien teoreettinen mallintaminen tehtiin CSC:n supertietokoneella Espoossa.

Viitteet artikkeleihin:

 

  1. C.L. Heinecke, T.W. Ni, S.A. Malola, V.P. Mäkinen, O.A. Wong, H. Häkkinen and C.J. Ackerson, “Structural and theoretical basis for ligand exchange on thiolate monolayer protected gold nanoclusters“, J. Am. Chem. Soc., published online July 21, 2012 (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja3032339).
  2.  P.D. Jadzinsky, G. Calero, C.J. Ackerson, D.A. Bushnell and R.D. Kornberg, “Structure of a thiol monolayer-protected gold nanoparticle at 1.1. Ångstrom resolution”, Science 318, 430 (2007) (http://www.sciencemag.org/content/318/5849/430.abstract).
  3.  M. Walter, J. Akola, O. Lopez-Acevedo, P. D. Jadzinsky, G. Calero, C. J. Ackerson, R. L. Whetten, H. Grönbeck, H. Häkkinen, “A unified view of ligand-protected gold clusters as superatom complexes”, Proc. Natl. Acad. Sci. (USA) 105, 9157 (2008) (http://www.pnas.org/content/105/27/9157). See also http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/gold-nanoclusters.htm.

 

Liitetiedosto:

Kuva:  102 kulta-atomia ja 44 merkaptobentsoiditiolia sisältävän kultananopartikkeliin atomirakenne (vasemmalla) ja ligandin vaihtoreaktion avulla saatu modifioitu partikkeli (oikealla). Punaiset ja siniset molekyylit ovat partikkeliin vaihdettuja bromibentseenitioleja.

 

Lisätietoja antaa professori Hannu Häkkinen, Jyväskylän yliopisto, p.  0400 247 973, hannu.j.hakkinen@jyu.fi

Suomen Akatemian viestintä
tiedottaja Leena Vähäkylä
p. 09 7748 8327
sp. leena.vahakyla@aka.fi

Liitetiedostot

Suomen Akatemian verkkosivut www.aka.fi

Tutustu julkaisijan muuhun lehdistöaineistoon

Hae kategoriasta

ePressin asiakkaita
Trafi Radisson Blu Tellabs