VIRUSLABORATORIOSSA valkoisiin takkeihin sonnustautuneet tutkijat hääräävät pöytien äärellä. Niiden päällä on pieniä soluviljelyastioita.
Tutkijat keräävät astioista soluja lasipipeteillä. Niitä hyödynnetään kokeessa, jossa selvitetään, miten luonnosta peräisin olevat aineet vaikuttavat virusten infektiokykyyn.
Tutkimuksen tieto voi olla hyödyksi esimerkiksi lääketieteessä.
Jo sen takia laboratoriotyö on hyvin tarkkaa. Tilaan tullessa kengät täytyy peittää suojuksilla. Pintoihin ei saa koskea paljain käsin, jotta bakteerit ja virukset eivät leviä.
Viruslaboratorio on yksi Jyväskylän yliopiston Ylistönrinteellä sijaitsevan Nanotiedekeskuksen tiloista.
Keskus on poikkitieteellinen tutkimuslaitos, jossa biologit, kemistit ja fyysikot tutkivat luontoa nanomittakaavassa.
Tänä vuonna keskus täyttää kaksikymmentä vuotta.
SANA nano on kreikkaa ja tarkoittaa kääpiötä.
Nanotieteissä tutkitaan sekä teoreettisesti että kokeellisesti molekyylejä, materiaaleja ja rakenteita, jotka ovat nanometrin eli millimetrin miljoonasosan kokoluokassa.
Pienimmät bakteerit ovat 300 nanometriä, virukset 75–100. Atomi puolestaan on 0,1 nanometriä.
Nanomateriaalista puhutaan, jos hiukkaskoko on korkeintaan sata nanometriä. Se voi tarkoittaa jopa 100 000 kertaa hiuksen paksuutta pienempiä asioita.
Pienestä koostaan huolimatta, ja jopa sen takia nanomateriaaleilla on hyvin paljon erilaisia ominaisuuksia.
Mitä pienempi hiukkanen on, sitä enemmän sen pinnalla usein on atomeja. Siksi ne voivat olla suurempia hiukkasia reaktiivisempia.
Nanomateriaaleja käytetäänkin lähes kaikilla teollisuuden aloilla ja erilaisissa tuotteissa, kuten teollisissa kemikaaleissa, kosmetiikassa ja lääkkeissä. Tyypillisimpiä teollisia materiaaleja ovat metallit, metallioksidit ja hiilipohjaiset hiukkaset.
Nanomateriaalien avulla voidaan esimerkiksi parantaa akkujen tehokkuutta. Joitain hyödynnetään älypuhelinten kosketusnäytöissä.
Nanokokoiset titaani- ja sinkkioksidit heijastavat auringon ultraviolettisäteilyä, ja niitä käytetään esimerkiksi aurinkovoiteissaErilaiset sovellutukset ovat perua esimerkiksi atomien ja molekyylien järjestäytymisen manipuloinnista. Tieteen saavutuksia ja tutkimuksen tietoja hyödynnetään puolestaan nanoteknologiassa, jossa kehitetään esimerkiksi lääkeaineita ja elektroniikkalaitteita.
Nanotieteitä on kutsuttu yhdeksi tärkeimmistä tieteenaloista juuri uusien innovaatioiden kannalta. Kehitys on vauhdittunut etenkin 1990-luvulta lähtien. Tuolloin sai alkunsa myös Jyväskylän Nanotiedekeskus.
FYSIIKAN laitokselle etsittiin 1990-luvun alussa sovelletun fysiikan professuuria.
Toiveena oli fysiikan ala, josta oli odotettavissa sovelluksia pitkällä aikavälillä.
Yksi hakijoista oli Yhdysvaltojen Bellissä työskentelevä Mikko Paalanen. Tieteelliset meriitit vakuuttivat raadin. Paalanen aloitti Jyväskylässä 1992.
Häntä kiehtoi Coulombin saarto eli ilmiö, jossa sähkönvastus kohoaa jännitteen ollessa pieni. Paalasen tavoite oli kehittää Jyväskylässä Suomen ensimmäinen ilmiöön perustuva yhden elektronin transistori eli kolminapainen puolijohdekomponentti. Tuolloin kukaan Suomessa ei ollut vielä tehnyt kokeellista nanofysiikkaa.
Paalanen houkutteli Jyväskylään entisen kollegansa Jukka Pekolan. Tämä oli kehittänyt aiemmin kryostaatin eli laitteen, jolla voi jäädyttää näytteitä hyvin mataliin lämpötiloihin.
Paalanen ja Pekola valmistivat näytteitä laboratoriohuoneessa ja veivät ne toiseen huoneeseen mittauksia varten.
Lähtökohdat yhden elektronin transistorille eivät kuitenkaan olleet suotuisat. Laboratorio oli alkeellinen, laitteet vanhoja eikä varsinaisia puhdastiloja juuri ollut.
Paalanen lähti 1995 Jyväskylästä Teknilliseen korkeakouluun. Pekola jäi jatkamaan nanotutkimusta yliopistolle.
Fysiikan uusi laitosrakennus oli valmistunut samana vuonna. Oli uudet puhdastilat näytteiden valmistukseen sekä kaksi häiriösuojattua huonetta mittauksiin.
Kun Pekola vuonna 2000 valittiin yliopistoon akatemiaprofessoriksi, tutkijoita oli parisen kymmentä. Nanofyysikot tekivät yhteistyötä muun muassa biokemian alan kanssa.
Samalla nanotieteiden tunnettuus kasvoi kansainvälisesti.
Nanotieteille keskeistä on luonnontieteen alojen rajojen ylittyminen. Esimerkiksi fyysikot, kemistit, biotieteilijät ja insinöörit tekevät yhteistyötä.
Vuosituhannen alussa luonnontieteiden aloilla alkoi pohdinta yhteisestä nanotutkimushankkeesta. Tutkijat toivoivat voivansa tiivistää yhteistyötä, ja lisäksi ajattelivat, että yhteishankkeeseen voisi saada paremmin rahoitusta. Monet alan tutkimuslaitteet ovat kalliita.
Toukokuussa 2001 kokoontui Nano Science -hanketta valmisteleva työryhmä. Se päätti järjestää Nano-työpajan, jossa hanketta esiteltäisiin. Lisäksi piti keskustella rehtorin kanssa.
TIETOKONEEN ruutu hohtaa pimeässä huoneessa.
Solu- ja molekyylibiologian professori Varpu Marjomäki osoittaa ruudulla näkyvää väriaineilla värjättyä solua.
esimerkiksi virusinfektion aikana.
Väriaineen takia tietokoneen ruudulla olevan solun osat erottuvat toisistaan. Vihreä väri piirtää esiin solun tukirangan.
Solun sisällä oleva virus puolestaan on värjätty punaisella ja tummanvioletilla väriaineella.
Tavallinen solu sisältää valtavan määrän erilaisia molekyylejä. Väriaineen ansiosta siitä saadaan kuitenkin esille juuri ne asiat, mitä halutaan. Tutkijat voivat esimerkiksi selvittää, millaisia ominaisuuksia tutkittavalla materiaalilla on tai seurata viruksen reittiä solujen sisällä.
Kun tutkijat saavat selville, miten esimerkiksi virus lisääntyy solussa, he miettivät, miten lisääntymistä voisi estää vaikkapa jonkin antiviraalisen eli viruksia tuhoavan tai niiden lisääntymistä estävän aineen avulla.
”Fluoresoivasti värjätyt vasta-aineet tunnistavat esimerkiksi viruksen pintaproteiinin tai solun rakenteet. Samoja vasta-aineita muodostuu elimistössämme, kun immuunipuolustuksemme taistelee infektioita vastaan”, Marjomäki kertoo.
”Kun selvitämme esimerkiksi potentiaalisten lääkkeiden toimintamekanismeja molekyylitasolla, voimme kenties kehittää lääkettä vielä tehokkaammaksi ja turvallisemmaksi.”
Osa Jyväskylän laboratoriossa käytetyistä tehokkaaksi todetuista antiviraalisista aineista on ostettu ja osa hankittu itse luonnon kasveista, sienistä tai puista valmistamalla.
Tällä hetkellä Marjomäen tutkimusryhmä pyrkii selvittämään, mikä on syöpälääkkeenä käytetyn Vemurafenib-valmisteen toimintamekanismi virusinfektioiden estäjänä soluissa. Jyväskylän yliopistolla on patenttisuoja lääkkeen käytölle virusinfektioita vastaan.
Aiemmin Nanotiedekeskuksessa on muun muassa löydetty tehokas yhdiste koronavirusta vastaan. Tutkijat testasivat muovialan yrityksen Premixin kanssa muovimateriaalia, johon oli sekoitettu puun pihkaa. Pihkan ja muovin yhdiste tuhosi koronaviruksia.
”Muovin päälle asetetut koronavirukset tuhoutuivat 15 minuutissa, vaikka ne pysyvät aktiivisina tavallisen muovipinnan päällä parikin päivää”, Marjomäki sanoo.
TOUKOKUUSSA 2001 yliopiston silloinen rehtori Aino Sallinen vieraili fysiikan laitoksella.
Yliopiston isot rakennusprojektit oli saatu päätökseen: uusi kemian laitos oli valmistunut 1991, fysiikan laitos 1995 sekä bio- ja ympäristötieteiden laitos 2000.
Sallinen kysyi professoreilta, onko heillä ideoita nanotieteiden kehittämiseen.
Nanotalo, sanoi Jukka Pekola. Hänen mukaansa nanotieteiden tutkijat tarvitsivat paljon erikoistiloja, kuten puhdastiloja. Pekola oli saanut ideansa tanskalaiselta kollegalta, joka oli kertonut Kööpenhaminaan valmisteilla olevasta poikkitieteellisestä nanotiedekeskuksesta.
Jyväskylässä laitosten välillä on jo yhteistyötä, Pekola lisäsi.
Hetki oli suotuisa. Yliopistojen päätäntävalta oli kasvanut. Jyväskylässä myös rahatilanne oli hyvä, sillä maakuntien yliopistot saivat suhteessa hyvin rahaa. Rahaa tuli myös Euroopan unionilta.
Rehtori Sallinen suhtautui ajatukseen myönteisesti. Päätöksen taustalla oli myös Jyväskylän yliopiston uusi suunnitelma, jossa annettiin yhä enemmän painoarvoa luonnontieteille.
Lopulliset suunnitelmat teki arkkitehtitoimisto Arto Sipinen.
Rakentaminen alkoi huhtikuussa 2003.
KOSKA nanomittakaavassa tutkittavat asiat ovat hyvin, hyvin pieniä, on viruslaboratoriossa paljon erilaista laitteistoa. On kolme konfokaalimikroskooppia, joita käytetään pääosin kolmiulotteiseen kuvantamiseen ja nanomateriaalien pinnan tarkasteluun. Mikroskoopit soveltuvat erityisesti elävien solujen ja paksujen näytteiden tutkimiseen.
Bio- ja ympäristötieteiden puolella on myös elektoronimikroskooppi, jota käytetään erittäin korkean resoluution kuvantamiseen. Se sopii muun muassa virusten, proteiinien ja nanomateriaalien tutkimiseen.
Heliumionimikroskoopilla puolestaan tutkitaan nanomateriaalien rakenteita. Rakenteet voivat olla yksi-, kaksi- tai kolmiulotteisia, ja muodostua erilaisista materiaaleista, kuten hiilestä, metalleista tai biologisista aineista.
”Vuonna 2017 saimme heliumionimikroskoopilla maailman ensimmäiset kuvat bakteriofageista ilman väriaineita”, Lotta-Riina Sundberg sanoo.
Sundberg on Nanotiedekeskuksen tieteellinen johtaja, jonka vastuulla on toiminnan kehittäminen: hän edistää tutkimuksen tekemisen mahdollisuuksia ja osallistuu nanotieteitä koskevaan keskusteluun.
Bakteriofagit puolestaan ovat noin 100–200 nanometriä pitkiä viruksia. Ne infektoivat eli tartuttavat bakteereja. Bakteriofageilla on pääosa, joka sisältää niiden oman DNA:n. Häntäosa toimii injektioruiskun tapaan. Kuualuksen laskeutumisjalkoja muistuttavat proteiinisäikeet puolestaan kiinnittävät sen bakteerin pinnalle. Ruiskuttamalla bakteerien sisälle oman DNA:nsa ne valjastavat isäntäbakteerin DNA- ja proteiinisynteesikoneiston käyttöönsä.
”Fageja on käytännössä kaikkialla”, Sundberg sanoo.
Nanotiedekeskuksessa bakteriofageja on kerätty tutkimukseen Jyväsjärvestä.
Bakteriofagit ovat Sundbergin mukaan avainasemassa esimerkiksi antibioottiresistanssin tutkinnassa. Niitä voidaan esimerkiksi käyttää silloin kun antibiootit eivät toimi.
”Bakteriofagit eivät vaikuta ihmisiin millään tavalla. Koska ne tartuttavat vain bakteereja, voimme valita tiettyä taudinaiheuttajaa tartuttavat fagit ja tuhota spesifisti juuri haluamamme bakteerin”, Sundberg selittää.
JYVÄSKYLÄN nanotieteiden koulutus alkoi vuonna 2002, ensimmäisenä Suomessa.
Nanotiedekeskuksen rakennus puolestaan valmistui elokuussa 2004.
Vaikka nykyään nanotieteeseen keskittyviä tutkimusyksiköitä on myös muualla, Jyväskylän yliopiston keskus on Suomen laajin poikkitieteellistä nanotieteen tutkimusta tekevä yksikkö.
Eri tutkimusryhmiä on 37. Tutkijoita on noin 160 bio- ja ympäristötieteiden, kemian ja fysiikan aloilta.
Maailmanlaajuisesti vastaavia keskuksia on vain muutama. Lähimpiä vastaavia ovat Lundin yliopiston nanotieteiden keskus Ruotsissa ja CiNSAT-keskus Saksan Kasselissa.
Jyväskylässä tutkimusta tehdään myös yhteistyössä muiden kotimaisten ja ulkomaisten korkeakoulujen kanssa.
”Kansainvälinen yhteistyö on nanotieteessä arkipäivää”, Sundberg sanoo.
Jyväskylä poikkeaa muista suomalaisista keskuksista myös siten, että biologinen tutkimus on keskuksessa erityisen voimakasta.
Syksyllä 2023 keskus sai kansainväliseltä arviointipaneelilta kiitettävän arvosanan. Erityiskiitokset keskuksen toiminta sai eri alojen yhteistyöstä.
Nanotiedekeskuksessa tehdään paitsi terveyteen myös kestävään kehitykseen ja kvanttiteknologiaan liittyvää tieteenalojen välistä yhteistutkimusta.
Vihreän energian tuotannossa tarvitaan nanopartikkeleita. Tutkijat selvittävät Jyväskylässä muun muassa miten partikkeleissa tapahtuu erilaisia reaktioita.
Kvanttiteknologian avulla taas pyritään ymmärtämään aineiden ominaisuuksia ja kehittämään esimerkiksi kvanttilaskentaa ja laitteistoa.
Nanotasolla tapahtuvien ilmiöiden tutkiminen on Sundbergin mukaan ”erittäin tärkeää”. Tutkimuksen avulla voidaan esimerkiksi selvittää, millä tavalla valo vaikuttaa soluihin. Voidaan tarkastella myös, miten nanopartikkelit ovat vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa.
Perusilmiöiden kuten mikrobien ominaisuuksien laaja ymmärtäminen mahdollistaa niiden soveltamisen puolestaan vaikkapa lääketieteessä.
Nanotieteet ovat kasvava ala. Sundberg uskoo kehityksen jatkuvan, pyrkiihän ala vastamaan erilaisiin yhteiskunnallisiin haasteisiin. Sellaisia ovat esimerkiksi ympäristön likaantuminen ja vaikeasti torjuttavat virustaudit.
Lähteenä on käytetty myös Mari Hekkilän toimittamaa teosta Pienestä syntyi suurta, Nano came to Jyväskylä (2014) sekä Jyrki Heinon ja Matti Vuennon teosta Paljon tilaa pohjalla (2005).