Kansankieliset tiivistelmät
Transcription
Kansankieliset tiivistelmät
NUORET TUTKIJAT 2015 Biokemian laitos 1 A Finnish green machine: Biofuel production from wastewater. Anita Santana Sanchez Supervisors: Ph.D. Fiona Lynch & Ph.D. Yagut Allahverdiyeva-Rinne MOLECULAR PLANT BIOLOGY Nowadays there is an urgent need to develop alternative energy sources at the scale that can fully replace the current demand of fossil fuels and also minimize their harmful effects in the environment. The simple growing requirements of microalgae and their ability to sequester atmospheric CO2 have made them an attractive raw material in diverse applications such as biofuel production and wastewater treatment. So, what about coupling these two technologies in an integrated system towards a more energetically efficient and inexpensive production of biodiesel? The screening of Nordic native microalgae strains is required to identify organisms well-adapted to the characteristic seasonal variations in this geographical area which could require less energy input for the cultivation process. We have assessed eight native Finnish microalgae strains, using synthetic wastewater as a low-cost nutrient source, for their lipid and biomass productivity, coupled with their nutrient removal ability. A one-step in situ transesterification method was employed to maximize the coverage of lipids present in the whole microalgal biomass. These lipids were converted to Fatty Acid Methyl Esters (FAME) and identified by GC/MS analysis. The native Finnish green alga, UHCC0027, stood out as the best candidate for dual application in wastewater nutrient removal and as a biodiesel feedstock, having the highest lipid content and a suitable fatty acid composition for a good quality biodiesel product. However, further optimizations of cultivation conditions may improve both the energetics and economics of biofuel production using this native strain. 2 Sinileväbakteerin yhteyttämiskoneistoa suojaavan mekanismin mysteeri Essi Ruohisto Ohjaaja: dos. Natalia Battchikova MOLEKULAARINEN KASVIBIOLOGIA Yhteyttäminen, eli kyky tuottaa kemiallista energiaa vedestä ja auringonvalosta, kehittyi muinaisessa sinileväbakteerissa 2.5–3.5 miljardia vuotta sitten ja siirtyi myöhemmin korkeampiin kasveihin endosymbioosin kautta. Yhteyttämisen ensimmäisessä vaiheessa vesimolekyyli halkaistaan tietyssä proteiinikompleksissa, fotosysteemi II:ssa (PSII). Reaktiossa vapautuu varauksellisia hiukkasia, elektroneja, yhteyttämiskoneiston kuljetettavaksi ja lopulta ne sidotaan kemiallista energiaa kantaviin yhdisteisiin. Kaikkia elektroneja ei aina saada kuljetettua fotosysteemiltä eteenpäin ja elektronit jäävät PSII:een tai sen ympäristöön. Tällöin muodostuu solulle vahingollisia happiyhdisteitä (reactive oxygen species, ROS) jotka vaurioittavat solurakenteita ja yhteyttämiskoneistoa, etenkin PSII:ta. Yhteyttävissä eliöissä onkin kehittynyt mekanismeja, joiden avulla ylimääräisiä elektroneja ohjataan pois fotosysteemiltä. Sinileväbakteeri Synechocystiksessä yksi tällainen suojamekanismi perustuu tiettyihin proteiineihin (Flv2, Flv4 ja Sll0218), joita solu ilmentää voimakkaasti, kun se altistuu korkealle valolle. Näistä Flv2:n ja Flv4:n on havaittu muodostavan yhtenäisen heterodimeerin ja Sll0218 on löydetty suuresta proteiinikompleksista. Mekanismi, jolla proteiinit suojaavat PSII:ta, on toistaiseksi tuntematon. Erikoistyön tarkoituksena oli eristää ja puhdistaa Flv2-, Flv4- ja Sll0218-proteiineja sekä tutkia niiden kanssa vuorovaikutuksessa olevia proteiineja ja siten selventää mekanismia, jolla proteiinit kuljettavat elektroneja eteenpäin PSII:lta. Puhdistaminen tapahtui sitomalla proteiineja niihin liitetyn ”hännän” avulla erotteleviin puhdistusresiineihin. Puhdistetuista proteiineista tutkittiin mahdollisia vuorovaikutuspareja geelielektroforeesin ja vasta-aineiden avulla. Puhdistusmenetelmä oli kuitenkin tehoton Flv2- ja Flv4-proteiineille; oletamme tämän johtuvan siitä, että proteiineihin liitetyt hännät jäävät Flv2/Flv4-heterodimeerin sisälle, jolloin niiden sitoutuminen resiiniin oli estynyt. Dimeerin muodostuminen sai tuloksistamme vahvistusta, sillä Flv2-proteiini löydettiin vasta-aineella Flv4-puhdistustuotteesta. Sll0218:n puhdistus onnistui hyvin, joskin proteiinin vuorovaikutusparien tutkiminen jää toteutettavaksi myöhemmin. 3 Eturauhassyöpäsolujen lääkeresistenttiyden syytä etsimässä Elina Taipalus Ohjaajat: FM Marjaana Ojalill ja prof. Jyrki Heino BIOKEMIA Eturauhassyöpä on suomalaisten miesten yleisin syöpä. Sairauden hoitoa hankaloittaa syöpäsolujen taipumus kehittyä vastustuskykyisiksi eli resistenteiksi syöpälääkkeille. Erikoistyössä selvisi, että lääkekäsittelystä eloonjääneillä eturauhassyöpäsoluilla esiintyi poikkeuksellisen paljon α2-integriiniä ja CD44:ää solujen pinnalla. α2integriini ja CD44 ovat solujen pintaproteiineja, joiden avulla solu kiinnittyy, liikkuu ja aistii ympäristöään. Tehokkaan syöpähoidon edellytys on, että uudet hoitomuodot saadaan kohdennettua näihin lääkeresistentteihin soluihin. α2-integriinin ja CD44:n määrän lisääntyminen viittaa siihen, että lääkeresistenttiyden ja syöpäsolujen ympäristön välillä saattaa olla yhteys. Kasvaimen ympäristön tiedetään poikkeavan terveestä kudoksesta, sillä syöpäsolut valjastavat ympäröivät solut toimimaan syövän edun mukaisesti. Tärkeimpiä näistä ovat sidekudoksen solut, jotka normaalisti tuottavat muita soluja ympäröivää soluväliainetta. Syöpäsolujen aktivoimina nämä solut alkavat kuitenkin muokata soluväliainetta sairauden etenemisen kannalta edulliseksi. Tästä huolimatta soluväliaine ei koeolosuhteissa riittänyt suojaamaan eturauhassyöpäsoluja lääkkeen vaikutuksilta. Eturauhassyövän lääkeresistenttiys näyttää siis liittyvän ennemmin paljon α2integriiniä ja CD44:ää solukalvollaan omaavien syöpäsolujen eloonjäämiseen kuin soluväliaineen suojaavaan vaikutukseen. Meneillään olevilla tutkimuksilla pyritään selvittämään, miten α2-integriinin ja CD44:n lisääntyminen auttaa soluja selviytymään lääkekäsittelystä. Tiedon avulla voidaan löytää uusia ratkaisuja syövän lääkeresistenttiyden voittamiseen. 4 Sukkulamadot auttavat ymmärtämään ihmisenkin entsyymien toimintaa Jonna Pörsti Ohjaajat: FM Niina Santio ja Dos. Päivi Koskinen BIOKEMIA Mikroskooppisia sukkulamatoja on helpompi käsitellä kuin hiiriä tai muita koeeläimiä. Ne ovat myös edullisia ylläpitää ja yksinkertaisia koe-eläimiä, joita voidaan käyttää evolutiivisesti hyvin säilyneiden eli konservoituneiden geenien tutkimiseen. Esimerkiksi ihmisellä on kolme Pim-kinaasia ja sukkulamadoilla kaksi Pim-kinaasin vastinetta. Kinaasit ovat entsyymejä, jotka aktivoivat tai estävät kohdeproteiininsa aktiivisuutta liittämällä niihin fosforiryhmän. Erikoistyössä selvitettiin Prk-proteiinien toimintaa ja mitä tapahtuu, jos proteiinin aktiivisuutta estetään eri tavoin. Tutkimuksessa havaittiin, että Prk-proteiinit toimivat Pim-kinaasien kaltaisesti, ja että Pim-kinaasien toimintaa estävät kemialliset yhdisteet eli Pim-inhibiittorit ehkäisevät myös Prk-proteiinien toimintaa. Tulosten perusteella Pim-inhibiittorit rajoittavat myös sukkulamatojen kykyä haistaa houkuttelevia tai karkottavia hajuja. Sen sijaan makuaistiin ne eivät vaikuttaneet. Prk-proteiinit (engl. Pim-related kinase) ovat sukkulamadoista löydettyjä Pimkinaasien kaltaisia entsyymejä. Liiallinen Pim-kinaasien aktiivisuus lisää solujen kasvua ja kykyä muodostaa etäpesäkkeitä. Tämän takia Pim-kinaasit ovat lupaavia syöpälääkekehittelyn kohteita. Tutkimustulosten perusteella voidaan mahdollisesti olettaa, että ihmisen Pim-kinaasit osallistuvat aistinvaraiseen soluviestinnän säätelyyn, mikä tarvitsee lisätutkimuksia. 5 Fagosytoosin hapettavat aineet tappavat bakteereja eri mekanismeilla Reijo Niemi Ohjaajat: FM Janne Atosuo, Dos. Esa-Matti Lilius BIOKEMIA Tutkittujen yhdisteiden tappotehojen havaittiin muuttuvan toisistaan poikkeavin tavoin kun olosuhteita muutettiin, mikä viittaa niiden erilaisiin tappomekanismeihin. Vetyperoksidipitoisuuden kasvu johti tehokkaampaan tappoon, kun taas hypokloriittikonsentraation kasvulla ei ollut vaikutusta tappotehoon. Hypokloriitilla suurempi bakteeripitoisuus heikensi tappoa, kun taas vetyperoksidilla bakteeripitoisuus ei vaikuttanut merkittävästi tappotehoon. Myeloperoksidaasireaktioissa tappo oli korkeilla pH-arvoilla vetyperoksidin kaltaista, mutta tehostui merkittävästi alemmilla pH-arvoilla, mikä viittaa myeloperoksidaasin inhibitioon korkeissa pH:issa. Vetyperoksiditappoon pH ei vaikuttanut merkittävästi, mutta hypokloriitilla alempi pH tehosti tappoa huomattavasti. Ohjatun solukuoleman markkerina käytetyn DNA:n pilkkoutumisen tutkiminen on vielä kesken. Fagosytoosi on prosessi, jossa immuunijärjestelmän solut ottavat sisäänsä ja tuhoavat patogeenejä. Fagosytoosissa erikoistunut valkosolu ympäröi kohteensa solukalvollaan ja ottaa sen sisään sytoplasmaan fagosomiksi kutsutun vakuolin sisällä. Sytoplasmassa fagosomi yhdistyy antimikrobiaalisia aineita sisältäviin lysosomeihin ja rakkuloihin, ja kohde tuhotaan joko hapesta riippuvaisissa tai riippumattomissa prosesseissa. Happiyhdisteistä keskeisiä ovat vetyperoksidi ja myeloperoksidaasiksi kutsutun entsyymin siitä valmistama hypokloorihapoke, joiden toimintaa tässä tutkittiin. Aineiden tehoa tarkasteltiin eri konsentraatioilla ja bakteeripitoisuuksilla ja eri pHarvoissa. Koeorganismina käytettiin bakteerisoluja, joiden tuottamaa valoa seuraamalla saatiin tietoa tappoprosessin etenemisestä. Hapettavien aineiden mahdollisesti indusoimaa ohjelmoitua solukuolemaa tutkittiin leimaamalla E. colin genomi radioaktiivisella leimalla, erottamalla pilkkoutunut DNA ehjästä, ja vertaamalla fraktioiden radioaktiivisuutta. 6 Solun sisäistä pH:ta muuttamalla voidaan estää tiettyjen virusten infektio Moona Miettinen Ohjaajat: FM Pirjo Merilahti, Dos. Petri Susi BIOKEMIA Erikoistyön tarkoituksena oli tutkia erilaisten solun sisäiseen happamuuteen vaikuttavien aineiden avulla parechovirustyyppien 1 ja 3 pH-riippuvaista mekanismia, jolla virus pääsee sisään soluun ja infektoi sen. Tutkimuksessa havaittiin käytetyillä yhdisteillä olevan infektiota estävä vaikutus. Jatkotutkimuksissa selvitetään tarkkaa kohtaa solussa, mihin lääkeaine vaikuttaa ja millä tavalla se estää virusinfektion synnyn. Parechovirukset ovat pieniä vaipattomia RNA-viruksia. Ne aiheuttavat pääasiassa lieviä hengitysteihin tai ruuansulatuskanavaan liittyviä infektioita, mutta myös vakavia yleisinfektioita ja aivokalvontulehduksia, etenkin pienillä lapsilla. Niitä vastaan ei ole lääkkeitä eikä niiden infektiomekanismia ole juurikaan tutkittu, joten tutkimuksesta voidaan saada hyödyllistä tietoa. Solukalvo on solua ympäröivä ja suojaava rakenne, joka viruksen täytyy läpäistä päästäkseen soluun. Virus kiinnittyy kalvolle ja siitä kuroutuu solun sisäpuolelle pieni rakkula, vesikkeli, jossa virus kulkeutuu kohteeseensa solun sisässä ja voi alkaa monistumaan. Työssä käytetyt yhdisteet, inhibiittorit, ovat pääasiassa lääkeainekäytössä olevia yhdisteitä, jotka vaikuttavat näiden vesikkelien sisäiseen pH:hon tai johonkin muuhun niiden kulkeutumiseen liittyvään mekanismiin ja sitä myötä virusinfektioon. Vesikkelien sisäisen pH:n laskua pidetään oleellisena joidenkin virusten, kuten parechovirusten, infektiokyvylle. Tutkimuksessa käytettiin kahta eri solulinjaa, joita tutkittiin rinnakkain. Solukasvatuksiin lisättiin inhibiittoria, jonka jälkeen lisättiin virusta, jonka annettiin infektoida soluja määrätty aika. Tämän jälkeen solut kuvannettiin mikroskoopin avulla ja tuloksia verrattiin sellaisiin soluihin, joille oli lisätty vain virusta. Näin pystyttiin näkemään yhdisteiden teho infektion estossa. 7 Tutulla elintarvikkeella potentiaalia myös uusiin muotoihin Rosita Johansson Ohjaajat: FT Oskar Laaksonen ja FT Jukka Kaitaranta ELINTARVIKEKEHITYS DI Kananmunan ravintoarvojen on jo pitkään tiedetty olevan erinomaiset, mutta sen potentiaalia on toistaiseksi hyödynnetty jalosteena hyvin vähän. Uusi valkuaista pääraaka-aineenaan hyödyntävä salaatinlisuke herättää kuluttajien keskuudessa kiinnostusta. Lisäksi kuluttajat vaikuttaisivat olevan avoimia myös kananmunan nykyistä moninaisemmalle käytölle. Nämä käyvät ilmi Turun yliopiston ja Munax Oy:n teettämästä tutkimuksesta. Tutkimuksessa selvitettiin, voidaanko nykyteknologiaa hyväksikäyttämällä kehittää aistinvaraisesti miellyttävä valkuaistuote, ja olisiko salaatinlisukkeeksi tarkoitetulla valkuaistuotteella markkinapotentiaalia kuluttajan silmissä. Tutkimus rakentui valkuaisesta valmistetun salaattilisukkeen tuotekehitystyön ympärille. Työ sisälsi muun muassa tuotteen valmistusteknisten ratkaisujen kartoittamista sekä erilaisten aromi- ja maustevaihtoehtojen testaamista. Lisäksi tuotekehitystyössä selvitettiin, minkälaisia vaikutuksia korkeapainepastöroinnilla on koaguloituneen valkuaisen sekä valittujen aromien ja mausteiden aistittavaan laatuun. Lupaavimmiksi valikoitujen tuotekehitysversioiden miellyttävyyttä ja hyväksyttävyyttä selvitettiin aistinvaraisen arvioinnin kuluttajatestillä (70 arvioijaa; 73 % naisia, 27 % miehiä). Näytteinä oli neljä tuotekehitysversiota sekä kaksi maustamatonta, erilaisiin liemipohjiin pakattua valkuaisnäytettä. Kuluttajatestissä kartoitettiin näytteiden eri ominaisuuksien tuttuus, miellyttävyys ja voimakkuus, arvioijien taustamuuttujat sekä tuotekonseptin markkinapotentiaali. Salaatinlisukkeen osalta tulokset olivat lupaavia, minkä lisäksi myös muunlaisille kananmunajalosteille vaikuttaisi olevan nykymarkkinoilla kysyntää. Tutkimuksessa havaittiin myös, että perinteiset lämpökäsittelymenetelmät saattaisivat valkuaisen tapauksessa olla korvattavissa korkeapainepastöroinnilla. 8 Terveellisellä kauran kuidulla peittyy puolukan epämiellyttävä maku Kaisa Halme Ohjaajat: FT Oskar Laaksonen, prof. Baoru Yang ELINTARVIKEKEHITYS FM Kauran kuitua, beetaglukaania ja terveellistä puolukkaa sekoittamalla voidaan mahdollisesti kehittää täysin uusi tuote, jossa olisi molempien parhaat ominaisuudet. Ravitsemuksellisesti tuotteessa on yhdistetty puolukan antioksidanttivaikutus, suoliston toimintaa edistävä sekä kolesterolia ja veren glukoositasoa alentava kauran kuitu. Beetaglukaania löytyy erityisesti kaurasta, mutta myös muista viljoista kuten ohrasta sekä vehnästä. Se on liukoinen kuitu, joka muodostaa suolistossa geelimäisen rakenteen. Tämä rakenne estää kolesterolia imeytymästä ja laskee niin kutsuttua huonoa LDL-kolesterolia. Euroopan elintarviketurvallisuusvirasto EFSA on myöntänyt beetaglukaanille terveysväittämän sen kolesterolia alentavaa vaikutusta että aterianjälkeisen verensokerin hitaampaa nousua koskien. Puolukka taas sisältää kuitua ja fenolisia yhdisteitä. Fenoliset yhdisteet toimivat antioksidantteina ja auttavat vastustamaan mm. kasvainten syntyä. Puolukka kuitenkin koetaan usein maultaan karvaaksi ja happamaksi, mikä voi rajoittaa sen käyttöä. Aikaisemmissa tutkimuksissa on havaittu eri kuitujen lisäyksen saavan aikaan viskositeetin kasvua mikä vähentää marjojen hapanta ja karvasta makua. Tämä tutkimus on vasta aluillaan, mutta ensimmäisten tulosten perusteella mehun rakenne ja maku muuttuvat kuidun lisäyksellä. Pro gradu-tutkielmassa selvitetään kaurassa olevan beetaglukaanin vaikutusta puolukan makuun. Työ suoritetaan lisäämällä eri beetaglukaani-pitoisuuksia puolukkamehuun ja mittaamalla reologisesti sekä aistinvaraisesti arvioimalla mehussa tapahtuvia muutoksia. Tuotekehityksen onnistuessa kyseessä olisi täysin kotimainen mehujuoma, jossa on vain puhtaita luonnon omia raaka-aineita ilman lisättyä sokeria. 9 Siiderin valmistus vaikuttaa omenan makuyhdisteisiin Mira Virkki Ohjaajat: FT Oskar Laaksonen ja dos. Jukka-Pekka Suomela ELINTARVIKEKEHITYS DI Kaupallisista siidereistä sekä omenoista löydettiin samoja fenolisia yhdisteitä, siidereissä yhdisteiden määrät olivat oletetusti pienemmät. Tutkituista kaupallisista siidereistä löydettiin mahdollisesti siiderin aistittaviin ominaisuuksiin vaikuttavia yhdisteitä. Siideri on käymisprosessilla valmistettu alkoholijuoma, joka koostuu pääasiassa vedestä, sokerista, orgaanisista hapoista, fenolisista yhdisteistä ja haihtuvista yhdisteistä. Fenolisilla yhdisteillä voi olla vaikutusta siiderin aistittuun karvauteen ja astringoivuuteen. Diplomityössä kehitettiin eri raaka-aineelle tehtyä menetelmää omenasiidereiden analysointiin soveltuvaksi. Tutkimus tehdään yhteistyössä CCFFT:n (Competence Center of Food and Fermentation Technologies, Tallinna, Viro) kanssa, joka valmistaa tutkimuksessa analysoitavat näytteet. Jatkossa työssä on tarkoitus tutkia eri omenalajikkeilla, kypsyysasteisilla omenoilla sekä valmistusmenetelmillä valmistettujen omenasiidereiden vaikutusta fenolisten yhdisteiden profiiliin. Omenan lajikkeella ja kypsyysasteella oletetaan olevan vaikutus lopputuotteen fenolisten yhdisteiden laatuun ja määrään. Erityisesti käymisprosessin vaikutusta lopputuotteen fenolisten yhdisteiden pitoisuuksiin tutkitaan. Käymisprosessin odotetaan vähentävän yhdisteiden määrää sekä vaikuttavan yhdisteiden ilmenemiseen. 10 Vauhtia mausteiden tutkimukseen Karlo Villa Ohjaajat: FM Marika Kalpio, prof. Baoru Yang ja prof. Heikki Kallio ELINTARVIKEKEHITYS DI Mausteiden aromien ja bioaktiivisten aineiden tutkimisesta on tulossa entistä nopeampaa ja tehokkaampaa. Diplomityössä kehitetään malli, jonka avulla voidaan suunnitella maustetutkimuksia. Mallia testataan soveltamalla analyysimenetelmää, jonka avulla mausteita voidaan tutkia ilman työläitä välivaiheita. Aromaattisia ja bioaktiivisia yhdisteitä sisältäviä valmisteita voidaan tehdä uuttamalla jauhettuja mausteita nestemäisellä hiilidioksidilla korkeassa paineessa. Uuttaminen tapahtuu ilman korkeita lämpötiloja tai ympäristölle haitallisia aineita. Vastaavasti uutteessa ei ole muita kuin mausteessa itsessään olevia yhdisteitä. Uutteiden analysointi voidaan tehdä ilman esikäsittelyvaiheita, jotka ovat työläitä ja voivat muokata uutteessa olevia yhdisteitä. Analyysi suoritetaan automatisoidulla kaasukromatografijärjestelmällä, joka mahdollistaa esikäsittelemättömien näytteiden koostumuksen tutkimisen. Nestemäistä hiilidioksidia käytetään tutkimuksen lisäksi teollisissa prosesseissa kuten rasvojen ja öljyjen hajunpoistossa sekä kofeiinittoman kahvin valmistuksessa. Turun yliopistolla on käytetty nestemäistä hiilidioksidia mausteiden tutkimuksessa 1980luvulta lähtien. 11 Kuinka terveyttä edistävien yhdisteiden tuottamiseen liittyvät geenit ilmenevät suomalaisessa tyrnimarjassa? Riitta Haataja Ohjaajat: MMT Anssi Vuorinen ja prof. Baoru Yang ELINTARVIKEKEHITYS DI Diplomityössä on selvityksen alla kuinka Suomessa viljeltyjen Tytti- ja Terhityrnilajikkeiden tuottamien marjojen sisältämien flavonolien muodostumista säätelevät geenit ilmenevät tyrnimarjoissa kasvukauden aikana. Flavonolit ovat marjoissa esiintyviä fenolisia yhdisteitä, joilla on tutkitusti todettu olevan ihmiselle terveyttä edistäviä vaikutuksia niin ravitsemuksellisessa kuin lääketieteellisessä merkityksessä. Nämä terveyttä edistävät yhdisteet muodostuvat marjoissa eri entsyymien säätelemissä kemiallisissa reaktioissa ja näiden entsyymien määrää puolestaan säätelevät tutkimuksen kohteena olevat geenit. Tutkimuksen kohteena olevia marjoja on poimittu sekä Kittilästä että Turusta eri vuosina ja tuloksia vertailemalla voidaan selvittää myös kasvuympäristön, kuten ilmaston vaikutusta näihin tyrnimarjojen sisältämiin terveysyhdisteisiin. Tyrniä on käytetty läpi historian lääkinnällisiin tarkoituksiin ja sillä tiedetään olevan monia sairastumisen riskejä alentavia vaikutuksia. Tyrnillä on poikkeuksellisen monipuolinen ravinnepitoisuus ja se on koostumukseltaan sekä ravintosisällöltään hyvin monikäyttöinen marja. Sitä käytetäänkin monipuolisesti teollisuuden raakaaineena elintarvikkeissa, ravintolisinä ja myös kosmetiikassa. Lopullisten tutkimustulosten odotetaan vahvistavan oletusta, että tutkimukseen valittujen geenien ilmenemistasot muuttuvat tyrnimarjan kasvukauden, lajikkeen sekä kasvuympäristön mukaan. Tutkimustulosten perusteella voitaisiin esimerkiksi arvioida sopivinta keräysaikaa marjoille, jolloin niiden terveyttä edistävä flavonolikoostumus olisi juuri oikea valittuun käyttötarkoitukseensa. 12 Leivän maun miellyttävyyden säilyttäminen vähennettäessä suolan määrää Johanna Paasio Ohjaajat: ETM Kristiina Tuukkanen, FT Oskar Laaksonen, dos. Antti Knaapila ja prof. Baoru Yang ELINTARVIKEKEHITYS DI Ruokasuolan määrää normaalisuolaisesta (1,2 %) vehnäleivästä on mahdollista vähentää puoleen vaikuttamatta leivän maun miellyttävyyteen korvaamalla suolaa timjamilla. Kuluttajatutkimuksen perusteella 50 % vähemmän suolaa sisältävä leipä, johon oli lisätty timjamia, oli maultaan yhtä miellyttävä kuin normaalisuolainen leipä ja kokonaisuutena jopa miellyttävämpi. Suurin osa kuluttajista vastasi kyselyyn myös ostavansa todennäköisemmin puolet vähemmän suolaa sisältävän timjamileivän kuin normaalisuolaisen leivän. Tutkimustulokset leivän hajun, maun ja kokonaisuuden miellyttävyydestä sekä ostohalukkuudesta kerättiin 89 vapaaehtoisen kuluttajan aistinvaraisesta arvioinnista. Diplomityössä tutkittiin myös suolan maun korvaamista yrtin tai sienen maulla. Tähän tarkoitukseen koulutettiin kymmenhenkinen raati, joka toimi ikään kuin ”mittalaitteena” arvioiden suolaisen maun voimakkuutta leipänäytteistä. Tulosten perusteella suolan makua leivässä ei pystytty korvaamaan timjamilla tai suppilovahverolla, mutta leivän maun kokonaisvoimakkuus pystyttiin kuitenkin säilyttämään samana timjamin avulla. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Fazerin tutkimusyksikön kanssa. Tulokset antoivat arvokasta tietoa kuluttajien mieltymyksestä leivän suolaiseen makuun. Tulosten perusteella leivän suolapitoisuutta on mahdollista alentaa miellyttävyyden kärsimättä. Siten pystyttäisiin vähentämään myös suolan kansanterveydellisiä haittoja, kuten alttiutta sairastua sydän- ja verisuonitauteihin. 13 Kasvi- ja marjauutteiden kyky estää haitallista hapettumista Aleksi Uusitupa Ohjaajat: Dos. Jukka-Pekka Suomela ja Prof. Baoru Yang ELINTARVIKEKEMIA Syömällä erilaisia marjoja ja kasveja tai näiden uutteita voidaan estää haitallisten hapetusreaktioiden tapahtuminen ihmisen elimistössä. Marjojen ja kasvien kyky estää haitallisia hapettumisia ovat niiden sisältämien antioksidanttien ansiota. Syömäkelpoisista marjoista ja kasvien osista voidaan eristää uutteita, joista voidaan määrittää kokeellisesti niiden kyky estää haitallisia hapettumisreaktioita. Tehdyssä tutkimuksessa männyn petulla ja mustaherukan lehdillä oli korkea antioksidanttikapasiteetti verrattuna mustaherukan marjoihin tai pakurikääpään. Männyn petussa ja mustaherukan lehdissä on luonnostaan hyvin korkeat pitoisuudet fenolisia yhdisteitä, mikä on yhteydessä petun ja mustaherukan lehden korkeaan antioksidanttikapasiteettiin. Uuttoliuoksen etanolipitoisuus tai etikkahapon käyttö uuttamisessa ei vaikuttanut mustaherukan marjojen tai pakurikäävän antioksidanttikapasiteettiin. Petun ja mustaherukan lehden antioksidanttikapasiteettiin vaikuttivat uuttoliuoksen etanolipitoisuus, sekä etikkahapon käyttö. Tutkimuksen tuloksia voidaan soveltaa mahdollisesti elintarviketeollisuudessa korvaamaan käytettäviä lisäaineita, sekä lääke- tai ravitsemustieteessä. Männyn petusta, pakurikäävästä, mustaherukan marjoista ja lehdistä eristettiin uutteita eri alkoholipitoisuuksilla. Uutteista määritettiin antioksidanttikapasiteetti TRAPmenetelmää käyttäen. Menetelmä perustuu luminometriaan, jossa mitataan antioksidanttien, vapaiden radikaalien ja luminolin välisten reaktioiden aiheuttamaa muutosta mitattavassa valossa. 14 Aiheuttaako prosessoitu maito vatsaoireita ja käyttäytyykö se elimistössä eritavoin kuin raakamaito? Tiina Pasma Ohjaajat: FM Anu Nuora, dos. Kaisa Linderborg ja prof. Heikki Kallio ELINTARVIKEKEMIA Viime aikoina mediassa on ollut esillä kiista maidon homogenoinnista ja homogenoidun maidon aiheuttamista vatsavaivoista. Jotkut ihmisistä kertovat saavansa vatsaoireita homogenoidusta maidosta, mutta voivansa juoda homogenoimatonta maitoa. Maidon homogenointi saa aikaan proteiinien erilaisen jakautumisen rasvapisaroiden ja vesifaasin välillä verrattuna homogenoimattomaan maitoon. Ravitsemustutkimuksessa saatiin viitteitä siitä, että prosessoitu maito ja raakamaito käyttäytyvät ruuansulatuskanavassa eri tavoin. Tämä näkyi erityisesti tutkimushenkilöiden veren rasva- ja sokeriaineenvaihdunnassa. Prosessoidun maidon nauttimisen jälkeen tutkimushenkilöt kokivat myös enemmän vatsaoireita kuin raakamaidon nauttimisen jälkeen. Erot maitojen välillä eivät kuitenkaan ole tilastollisesti merkitseviä johtuen tutkimushenkilöiden pienestä määrästä ja tulosten suuresta hajonnasta. Ravitsemustutkimuksesta saadut tulokset ovat kuitenkin hyvin mielenkiintoisia, joten tutkimusta tulisi jatkaa suuremmalla määrällä tutkimushenkilöitä. Ravitsemustutkimuksen tarkoituksena oli selvittää homogenoidun ja pastöroidun eli prosessoidun maidon sekä homogenoimattoman ja pastöroimattoman eli niin sanotun raakamaidon aiheuttamia vatsavaivoja ja käyttäytymistä tutkimushenkilöiden elimistössä sellaisilla henkilöillä, jotka kokevat voivansa nauttia raakamaitoa, mutta eivät prosessoitua maitoa. Ravitsemustutkimukseen osallistui seitsemän tervettä tutkimushenkilöä. Tutkimushenkilöt nauttivat kahtena eri tutkimuspäivänä kuitupitoisen patukan ja joko 4 dl raakamaitoa tai 4 dl prosessoitua maitoa sekä nielaisivat SmartPill-kapselin, joka mittaa ruoansulatuskanavan pH:ta, painetta ja lämpötilaa. SmartPill-kapselin avulla pyrittiin selvittämään, onko suolistosta mitatulla paineella yhteyttä tutkimushenkilöiden kokemiin vatsaoireisiin. Tutkimushenkilöt täyttivät oirepäiväkirjaa, johon he merkitsivät kokemansa vatsaoireet. Eri maitojen käyttäytymistä tutkimushenkilöiden elimistössä tutkittiin vertaamalla veren rasva- ja sokeriaineenvaihduntaa. 15 Sinisellä perunalla keltaista perunaa kevyempi glykeeminen kuorma Johanna Salo Ohjaajat: FM Marika Kalpio, MMT Anssi Vuorinen, dos. Kaisa Linderborg ja prof. Heikki Kallio ELINTARVIKEKEMIA Tutkimuksessa havaittiin, että sinisen perunasurvoksen nauttiminen aiheutti pienemmän aterianjälkeisen glykeemisen kuorman kuin mustikkakiisseli, ja pienemmän insuliinikuorman kuin keltainen perunasurvos tai mustikkakiisseli. 40 minuuttia sinisen perunasurvoksen nauttimisesta tutkimushenkilöiden veren glukoosipitoisuus oli alhaisempi kuin keltaista perunaa nauttineilla. Sekä verensokeri että veren insuliinipitoisuus olivat alhaisemmat 20 ja 40 minuutin kuluttua sinistä perunasurvosta nauttineilla kuin sokeritonta mustikkakiisseliä nauttineilla. Sinisen perunan vaikutusta veren glukoosi- ja insuliinipitoisuuksiin tutkittiin ravitsemustutkimuksessa, johon osallistui 13 tervettä miestä. He nauttivat satunnaistetussa järjestyksessä sinisten väriaineiden ja tärkkelyksen suhteen vakioituja keitettyä sinistä perunasurvosta, keltaista perunasurvosta tai mustikkakiisseliä. Tutkimuksessa käytettiin tummansinistä Synkeä Sakari -perunalajiketta, jonka sisältämät väriaineet analysoitiin ensimmäistä kertaa. Tutkimustulokset saattavat olla merkittäviä runsaasti perunaa kuluttavien suomalaisten terveyden kannalta. Toistuvat korkeat aterianjälkeiset veren glukoosi- ja insuliinipitoisuudet ovat yhteydessä moniin elintasosairauksiin. Ruokaperunan vaihtaminen keltaisesta siniseen saattaa auttaa veren glukoosi- ja insuliinipitoisuuksien hallinnassa. Ravinnosta saadut hiilihydraatit nostavat veren glukoosi- ja insuliinipitoisuuksia aterian jälkeen. Elintarvikkeen aiheuttamaa veren aterianjälkeisestä sokerikuormaa kuvataan glykeemisellä indeksillä. Suomalaisten ruokavalioon vakiintuneen keltaisen perunan glykeeminen indeksi on korkea, jolloin keltaisen perunan nauttiminen aiheuttaa suuria muutoksia aterianjälkeisiin veren glukoosi- ja insuliinipitoisuuksiin. Sinisen perunan ja keltaisen perunan nauttimisen aiheuttamien glukoosi- ja insuliinikuormien erot saattavat johtua sinisen perunan sisältämistä luontaisista sinisistä väriaineista, antosyaniineista. Antosyaniineja esiintyy sinisen perunan lisäksi erilaisissa marjoissa, hedelmissä ja kasveissa. Antosyaniineilla on havaittu terveyttä edistäviä ominaisuuksia. Ne toimivat muun muassa antioksidantteina. 16 Miellyttävimmän tuoksuiset mausteet ja yrtit Markus Virtanen Ohjaajat: FT Oskar Laaksonen ja dos. Antti Knaapila ELINTARVIKEKEMIA Tutkimuksessa miellyttävimmiksi mausteiksi tai yrteiksi arvioitiin tuoksun perusteella kaneli, minttu ja oregano. Vähiten miellyttävinä pidettiin kuminaa, salviaa ja meiramia. Tutuimpina tuoksuina ihmiset pitivät kanelia, valkosipulia ja oreganoa. Parhaiten mausteista ja yrteistä tunnistettiin valkosipuli, kaneli ja oregano. Hajuyhdisteistä eniten miellyttävänä pidettiin vaniljan tuoksuista vanilliinia, appelsiinin tuoksuista limoneenia ja aniksen tuoksuista anetolia. Parhaiten tunnistettiin allyylidisulfidi, joka on valkosipulin tuoksun pääkomponentti ja huonoiten kanelialdehydi, joka on kanelin haihtuva yhdiste. Sukupuolen todettiin vaikuttavan hajun miellyttävyyteen, sillä naiset arvioivat useimmat hajut miellyttävämmäksi kuin miehet. Hajuja paremmin tunnistaneet ja uusia ruokia halukkaasti kokeilevat henkilöt arvioivat hajut keskimäärin miellyttävämmäksi kuin hajuja huonommin tunnistaneet ja uusiin ruokiin varauksellisemmin suhtautuneet. Ihmiset olivat myös hyvin tietoisia hajuaististaan, sillä kun he pitävät hajua tuttuna, niin he myös tunnistivat sen. Aistinvaraisiin arviointeihin Turun yliopiston Funktionaalisten elintarvikkeiden kehittämiskeskuksen (FFF) aistilaboratoriossa osallistui 126 vapaaehtoista aikuista (93 naista ja 33 miestä), jotka rekrytoitiin Hyvän kasvun avaimet -seurantatutkimuksen osallistujista. Arvioinneissa oli näytteinä mukana yhteensä 12 maustetta tai kuivattua yrttiä (anis, fenkoli, kaneli, kumina, meirami, minttu, neilikka, oregano, rosmariini, salvia, timjami, valkosipuli) ja 12 puhdasta hajuyhdistettä. Kaikki hajuyhdisteet eivät liittyneet hajultaan elintarvikkeisiin, mutta olivat tärkeitä ihmisten erojen hahmottamisessa. Tutkimukseen osallistuneilta henkilöiltä kerättiin lisäksi taustatietoja mm. ruokavaliosta ja halukkuudesta kokeilla uusia ruokia. Tutkimus tehtiin osana Suomen Akatemian rahoittamaa tutkimushanketta, jonka tavoitteena on tutkia haihtuvien yhdisteiden roolia palkokasvien, yrttien ja mausteiden miellyttävyydessä ja käytössä. Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää muuttamaan suomalaisten syömiskäyttäytymistä kohti terveellisempiä elämäntapoja. 17 Uusi vastasyntyneiden seulontatesti perinnöllisen lihasrappeumataudin havaitsemiseksi Anna Haavisto Ohjaajat: FT Teemu Korpimäki ja FT Tanja Savukoski BIOTEKNIIKKA DI Diplomi-insinöörityössä kehitettiin vastasyntyneiden seulontaan tarkoitettu testi, jolla voidaan testata, onko henkilöllä Duchennen lihasdystrofia-lihasrappeumatautia (engl. Duchenne muscular dystrophy, DMD). DMD on perinnöllinen sairaus, jota esiintyy noin yhdellä 3500 pojasta eikä juuri ollenkaan tytöillä. DMD:ssä lihassolut ovat tavallista heikompia ja siksi ne hajoavat helposti ja lihakset surkastuvat iän myötä. Tästä syystä DMD:tä sairastavien on vaikea liikkua ja he kaatuvat usein. Taudin edetessä he menettävät liikuntakykynsä kokonaan ja kuolevat noin 25 vuoden iässä tavallisesti sydänlihassairauksiin. Tähän mennessä DMD:tä ei ole voitu parantaa, minkä vuoksi sitä ei ole seulottu vastasyntyneiltä, vaan tauti on diagnosoitu vasta oireiden ilmaannuttua. Nyt kehitteillä on uusia lupaavia hoitoja, joiden onnistumisessa on keskeistä taudin aikainen havaitseminen, ja siksi myös vastasyntyneiden seulonnan aloittamista harkitaan. DMD:ssä lihasten hajotessa vereen pääsee tavallista enemmän lihasentsyymiä, jota kutsutaan lihasperäiseksi kreatiinikinaasiksi (engl. creatine kinase MM isoform, CKMM). Kehitetty testi perustuu veren CK-MM-pitoisuuden mittaamiseen. Pitoisuus mitataan CK-MM:ään sitoutuvien vasta-aineiden avulla, joista toinen kiinnittää CKMM:n testialustaan ja toiseen on kiinnitetty valoa tuottava molekyyli. Valoa mittaamalla voidaan selvittää pitoisuus. Alustavissa tutkimuksissa pystyttiin erottamaan DMD:tä sairastavat ja terveet. Testi soveltuu myös käytettäväksi automaattisessa PerkinElmerin GSP®-laitteessa, joka on tarkoitettu vastasyntyneiden joukkoseulontaan ja jonka avulla usean näytteen testaaminen on nopeaa ja yksinkertaista. 18 Uusi potilasläheinen hepatiitti B -määritys Minna Tuovinen Ohjaajat: DI Merja Lahdenranta, FM Teppo Salminen ja FM Etvi Juntunen BIOTEKNIIKKA DI Hepatiitti B -virus kuuluu hepadnaviruksiin ja aiheuttaa maksatulehdusta. Hepatiitti B -tartunta voidaan todeta verestä viruksen pinta-antigeenin, HBsAg, avulla. Uusi potilasläheinen hepatiitti B -määritys perustuu tämän HBsAg -pinta-antigeenin pitoisuuden mittaamiseen näytteestä. Tarkoituksena on, että määritys voidaan suorittaa myös laboratoriotilojen ulkopuolella ilman monimutkaisia ja suuria mittalaitteita. Määrityksessä mitattava analyytti, tässä tapauksessa pinta-antigeeni HBsAg, sitoutuu kiinni mikrometrien kokoisiin pieniin muovisiin sitojavasta-aineella pinnoitettuihin partikkeleihin. Muovipartikkeleihin kiinnittynyt analyytti sekä siihen kiinnittynyt leima-aine kerääntyy määritysalustan suodattimelle. Muovipartikkeleihin sitoutumaton HBsAg -analyytti sekä leima-aine kulkeutuvat suodattimen läpi jätteeseen. Leima-aine tuottaa signaalia ja mitä enemmän signaalia, sitä enemmän näytteessä on analyyttia. Hepatiitti B -määritys saatiin onnistumaan uudella määritysalustalla. Määritystä on mahdollista vielä jatkokehittää entistä toistettavammaksi ja tehokkaammaksi. 19 Uusi valmistusprosessi PerkinElmerin Turun tuotantoon Marke Hovi Ohjaaja: FM väit. Jaana Kantola, PerkinElmer Wallac Oy MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Tutkimusryhmä on luonut uuden valmistusprosessin turkulaisen PerkinElmer Wallac Oy:n tuotantoon osana vastasyntyneiden tautiseulontaan tarkoitetun tuotteen kehitystä. Valmistusprosessilla tuotetaan kuivattua komponenttia, joka on osa kehitettävää seulontatuotetta. Uutta seulontatuotetta voidaan käyttää apuna Gaucherin, Pompen, Krabben, Fabryn, mukopolysakkaridoosi I:n sekä Niemann-Pickin A- ja B-tyypin sairauksien seulonnassa vastasyntyneiltä. Nämä ovat harvinaisia aineenvaihdunnan sairauksia, jotka johtuvat solujen kuona-aineita hajottavien entsyymien häiriintyneestä toiminnasta. Tautien varhainen tunnistaminen ja hoito ovat tärkeässä asemassa, koska taudit ovat eteneviä ja johtavat usein pysyviin elimistön vaurioihin tai kuolemaan. Uudessa valmistusprosessissa komponentin raaka-aineet yhdistetään liuokseksi, annostellaan lasipulloihin ja kuivataan. Valmistuserien tasalaatuisuus erästä toiseen varmistetaan tarkoilla valmistusvaiheilla ja valmiiden komponenttien testauksella. Valmistusprosessin kehitys on loppusuoralla ja prosessi on tarkoitus ottaa käyttöön Turun tuotantolaitoksessa ensi vuonna. 20 Nanokokoisten loisteaineiden valontuottoa voidaan tehostaa Pekka Heljakka Ohjaajat: FM Satu Lahtinen ja prof. Tero Soukka BIOTEKNIIKKA DI Diplomityössä kehitettiin pinnoitusmenetelmä, jolla on mahdollista parantaa upkonvertoivien nanopartikkelien (engl. upconverting nanoparticles, UCNP) valontuotto-ominaisuuksia kiinnittämällä niiden pintaan antennirakenteina toimivia värimolekyylejä. UCNP:t tuottavat näkyvää valoa infrapunalaserilla viritettäessä ja niillä on lukuisia sovellusmahdollisuuksia muun muassa leima-aineina diagnostisissa testeissä sekä elävän kudoksen kuvantamisessa tai syöpäkasvainten hoidossa. Kehitetyllä menetelmällä on kaksi merkittävää etua: se mahdollistaa partikkelin valontuoton tehostumisen, mikä parantaisi sen ominaisuuksia leima-aineina, sekä uuden aallonpituuden käytön partikkelin virittämisessä, mistä voi olla hyötyä elävään kudokseen keskittyvissä sovelluksissa. UCNP:iden virittämiseen käytetään normaalisti 980 nm lähi-infrapunalaseria. Sen haittapuolena kuitenkin on, että se kuumentaa erityisesti vesimolekyylejä, mikä heikentää nanopartikkelien käyttöä elävässä kudoksessa. Lisäksi tällä aallonpituudella virittyvät, partikkelin valontuoton kannalta keskeiset lantanidi-ionit ovat huonoja keräämään viritysvaloa. Työssä kehitetyssä menetelmässä UCNP:n pintaan on kiinnitetty orgaanisia kromoforeja, eli hiilirakenteisia värimolekyylejä, jotka kykenevät UCNP:n tavoin virittymään tietyllä aallonpituudella valaistessa. Ne kuitenkin keräävät viritysvaloa merkittävästi tehokkaammin kuin UCNP:n virityksessä tavanomaisesti hyödynnetyt lantanidi-ionit, mikä mahdollistaa UCNP:n valontuottoominaisuuksien tehostamisen. Työssä käytetty kromofori virittyy 808 nm aallonpituudella ja energiansiirtoilmiön kautta se pystyy toimimaan UCNP:n virittäjänä. Siten UCNP:n viritysaallonpituutena voidaankin käyttää kromoforin viritysaallonpituutta eli 808 nanometriä 980 nanometrin sijaan. Uuden viritysaallonpituuden on osoitettu toimivan ja sen kehitystä jatketaan, mutta menetelmää on vielä optimoitava, ennen kuin sitä voidaan suoraan hyödyntää käytännön sovelluksissa. 21 Uusi käyttöliittymä automatisoi tutkimuskäyttöön tarkoitettujen proteiinien tuoton Joni Juvonen Ohjaajat: FM Markus Vehniäinen ja prof. Tero Soukka BIOTEKNIIKKA DI Diplomityössä kirjoitettiin uusi käyttöliittymä tutkimusproteiinien tuottamiseksi biologisella reaktorilla. Uuden käyttöliittymän avulla tuottoprosessi etenee automaattisesti ja sitä on mahdollista seurata ja ohjata älypuhelimesta tai kotikoneelta. Käyttöliittymään kehitettiin uudenlainen nettikameran kuvaan perustuva vaahdonkorkeuden tunnistus, jonka avulla vaahdonestoaineen lisäys onnistuttiin automatisoimaan. Tutkimuskäyttöön tarkoitettujen proteiinien tuotto fermentorissa (biologinen reaktori) on yleinen menetelmä bioteollisuudessa. Proteiinit tuotetaan esimerkiksi bakteerisoluissa ja fermentori tarjoaa niille kontrolloidun kasvuympäristön ja sopivat tuotto-olosuhteet. Tyypillisen fermentointiprosessin aikana tutkija muun muassa tarkkailee vaahdonkorkeutta sekä käynnistää pumppuja olosuhteiden muuttuessa. Tällaiset tehtävät ovat teollisen mittakaavan laitteistoissa usein automatisoituja. Uuden käyttöliittymän ansiosta automatisointi onnistuu myös tutkimusmittakaavan laitteistoissa, eikä tuottoprosessin vaiheita tarvitse ajoittaa tutkijoiden työaikojen mukaan, mikä nopeuttaa prosessia ja lisää toistettavuutta. 22 Uusi tekniikka solujen entsyymitasojen säätämiseen helpottamassa teollisten mikrobikantojen kehitystä Anssi Rantasalo Ohjaajat: FT Dominik Mojzita (VTT), FT Jussi Jäntti (VTT) BIOTEKNIIKKA DI Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä suorittamassani diplomityössä kehitimme yksinkertaisen menetelmän solujen entsyymitasojen säätämiseen. Uuden tekniikan uskotaan nopeuttavan teollisten mikrobikantojen kehitystä. Tuotantoprosessiin vaadittavien entsyymien pitoisuuksien säätäminen optimaalisille pitoisuuksille on tärkeää, sillä se parantaa mikrobikannan tuottavuutta. Aiemmat vastaavaan tarkoitukseen kehitetyt teknologiat ovat hyvin puutteellisia, joten uudelle tekniikalle on tarvetta. Diplomityössäni eristimme solujen DNA:sta entsyymituotannon säätelyelementtejä ja muokkasimme niistä synteettisiä versioita. Selvitimme eri synteettisten säätelyelementtien vaikutuksen entsyymien tuotantotasoihin ja tämän pohjalta kehitimme työkalun, joka mahdollistaa entsyymipitoisuuden tarkan säätämisen. Tarkkuuden lisäksi uuden menetelmän etuna on, että useiden entsyymien tuottotasojen säätäminen voidaan tehdä samanaikaisesti, ja että entsyymitasoja pystytään säätämään hyvin laajalla spektrillä. Kehittämämme menetelmä ei myöskään ole herkkä solun kasvuympäristössä tapahtuville muutoksille, kuten aiemmat menetelmät. Entsyymit ovat ratkaisevassa roolissa biokemikaalien tuotannossa, koska ne katalysoivat lähtöaineiden muuttumista toisiksi yhdisteiksi. Biokemikaalien tuottaminen edellyttää usein useiden entsyymien osallistumista tuotantoprosessiin, jolloin puhutaan entsymaattisesta reaktiotiestä. Mikäli entsymaattisen reaktiotien entsyymien pitoisuus ei ole tasapainossa, saattaa syntyä pullonkauloja reaktiotielle sekä aiheutua ylimääräistä stressiä soluille. 23 DNA:n yhdistetyn monistus- ja monianalyyttimäärityksen kehittäminen Anna-Maija Lempainen Ohjaaja: FM Susanne Lahdenperä BIOTEKNIIKKA DI Diplomityössäni kehitin määritysmenetelmää, jossa ainoastaan yhdenlaista leimamolekyyliä käyttäen voidaan havainnoida useiden eri DNA-kohdesekvenssien läsnäolo samasta näytteestä. Menetelmä yhdistää DNA:n monistuksen polymeraasiketjureaktion (PCR) avulla ja monistustuotteiden havannoinnin reaktioastian pinnalla ilman reaktioastian avaamista tai erillisiä pesuvaiheita. Tämä menetelmä haastaa nykyiset, eri leimojen mittaukseen perustuvat monianalyyttimääritykset sekä määritykset, jotka vaativat reaktioastian avaamista DNA:n monistuksen jälkeen. Yhden leiman käyttö ja suljetussa systeemissä tapahtuva usean kohde DNA:n samanaikainen monistus ja havainnointi nopeuttaa määritystä, vähentää kontaminaatioriskiä merkittävästi ja tekee määrityksestä helppokäyttöisen. Kaksi samaan DNA-kohdesekvenssiin vierekkäin sitoutuvaa DNA-pätkää leimataan toinen valoa keräävällä antennaligandilla (antennaligandikoetin) ja toinen europiumkelaatilla (europiumkelaattikoetin). Antennaligandikoetin liitetään kiinteästi tiettyyn kohtaan reaktioastian muovipintaa ja europiumkelaattikoetin on vapaana liuoksessa. Jokaiselle määritettävälle kohdesekvenssille on oma koetinpari. Kun koettimet ovat erillään ei synny signaalia ja vasta koettimien sitoutuessa samaan DNAkohdesekvenssiin leimakomponentit tulevat niin lähelle toisiaan, että syntyy fluoresoiva kompleksi. Mikäli näytteessä on DNA-kohdesekvenssiä se monistuu PCR:n aikana ja lämpötilan laskiessa DNA-kohdesekvenssin tunnistavat koettimet sitoutuvat siihen. Reaktioastian pinnalla olevat antennaligandikoettimet viritetään 337 nm:n aallonpituudella ja mikäli niihin on sitoutuneena europiumkelaattikoettimeen kiinnittynyt DNA-kohdesekvenssi voidaan havaita emissiovaloa aallonpituudella 615 nm. Koska eri DNA-kohdesekvenssejä tunnistavien antennaligandikoettimien paikat muovipinnalla ovat tiedossa, voidaan päätellä mitä DNA-kohdesekvenssejä näytteessä on. Tässä tutkimuksessa testasin useita määritykseen vaikuttavia tekijöitä. Antennaligandikoettimen kiinnittämistä varten testasin erilaisten primaaristen aminoryhmien liittämistä reaktioastian muovipintaan. Nämä ovat oleellisia antennaligandikoettimen kiinnittämisen kannalta, mutta voivat toisaalta häiritä PCR:ää. Siksi tutkin myös erilaisten pinnalle myöhemmin liitettävien molekyylien vaikutusta PCR:n toimintaan. Tutkimuksen aikana määritin lisäksi menetelmän analyyttisen herkkyyden ja etsin sopivimman antennaligandikoettimen spottauskonsentraation. 24 Uusi määritys munasarjasyövän varhaiseen havaitsemiseen Annika Järvinen Ohjaajat: FT Kamlesh Gidwani ja prof. Kim Pettersson BIOTEKNIIKKA DI Diplomityössä kehitettiin leimamenetelmä munasarjasyövän varhaiseen havaitsemiseen, joka perustuu syöpäantigeeni 125:den (CA125) muuttuneeseen glykosylaatioon ja lektiinien hyödyntämiseen. Työssä kehitettyä määritystä, jossa hyödynnetään WFA-lektiininiä, voidaan tulevaisuudessa käyttää erottamaan munasarjasyöpä endometrioosista tai munasarjakystasta jo olemassa olevan CA125immunomäärityksen kanssa. Munasarjasyöpä on yksi vaarallisemmista naisten syövistä, sillä se on usein oireeton ennen leviämistään. Sairauksissa, kuten syövässä, solujen pintaproteiinien glykosylaatio muuttuu normaalista. Lektiinit ovat proteiineja, jotka kykenevät tunnistamaan tietyn glykosylaation. Työssä käytettiin neljästä eri kudoksesta peräisin olevaa CA125:tä ja kymmentä kasvilektiiniä, jotka olivat kiinnitetty joko Eu3+-kelattiin tai Eu3+-nanopartikkeliin. Diplomityössä Wisteria floribunda (WFA) -kasvilektiini antoi 3-4 -kertaisesti korkeamman signaalin munasarjasyöpä CA125:den kanssa verrattuna muihin CA125lähteisiin. Yleisesti käytössä olevassa CA125-määrityksessä on puutteita. CA125:lla on huono herkkyys munasarjasyövälle ennen oireiden ilmaantumista ja sen pitoisuus veressä voi kohota useista syistä, kuten esim. maksasairaudesta. Tämän vuoksi uuden spesifisen menetelmän kehittäminen on tärkeää munasarjasyövän hoidon parantamiseksi. 25 Yksittäiset upkonvertoivat nanopartikkelit erilleen partikkelirykelmistä ja muusta materiaalista Antti Pihlava Ohjaajat: FT Terhi Riuttamäki, FM Riikka Arppe BIOTEKNIIKKA DI Diplomityössä selvitettiin bioanalytiikan sovelluksiin tarkoitettujen upkonvertoivien nanopartikkelien puhdistusmenetelmää, joka soveltuisi suurempaan tuotannon mittakaavaan. Työssä Pihlava sai selville geelisuodatusmenetelmällä olevan potentiaalia leimapartikkelien erottelemiseen ja geelielektroforeesin soveltuvan valmistettujen leimapartikkelien laadunvalvontaan. Yksittäisiä partikkeleja geelisuodatuksella Kaivogen Oy:ssä tehdyssä diplomityössä havaittiin upkonvertoivia nanopartikkeleja erottelevalla geelisuodatusmenetelmällä olevan potentiaalia jatkokehitykseen. Menetelmä erottelee nanopartikkeleja niiden koon mukaan reagensseista ja partikkelirykelmistä. Työssä pystytetyn geelisuodatuslaitteiston optimoimiseen tullaan yrityksessä panostamaan tulevaisuudessa työstä saatujen tulosten perusteella. Tähän asti upkonvertoivien nanopartikkelien pintamuokkausprosessin eri vaiheiden välillä nanopartikkeleja on eroteltu sentrifugointimenetelmällä, joka perustuu huimiin g-voimiin. Se kerää partikkelit erinomaisella saannolla, mutta ei sovellu suurempien tuotantoerien käsittelyyn. Potentiaalisella geelisuodatusmenetelmällä ei toistaiseksi päästy yhtä hyviin saantoihin, mutta reagenssit erottuivat nanopartikkeleista erinomaisesti. Ylimääräiset reagenssit upkonvertoivien nanopartikkelien joukossa on syytä erotella valmistuksen eri vaiheissa, niiden häiritessä seuraavaa loppukäyttäjän sovellusta. Jokaisessa nanopartikkelien valmistuserässä on myös tärkeää määrittää mahdollisten partikkelirykelmien määrä laadun takaamiseksi. Karakterisointi onnistuu agaroosigeelillä Diplomityössä selvitettiin myös, miten geelielektroforeettisella menetelmällä voidaan karakterisoida upkonvertoivien nanopartikkelien taipumusta muodostaa rykelmiä. Yksittäiset nanopartikkelit kulkeutuvat elektroforeesigeelillä pitemmälle kuin rykelmät. Elektroforeettinen karakterisointimenetelmä mahdollistaa usean partikkelierän laaduntarkkailun yhdellä määrityksellä ja kustannustehokkaasti. Tämä pieneen näytemäärään tyytyvä menetelmä on siis oivallinen kyseisten nanopartikkelien laadun tarkkailuun. 26 Tulevaisuuden fragiili X -oireyhtymän seulontatesti vastasyntyneille ja aikuisille kantajille Ida Alm-Ndiaye Ohjaajat: FT Tuomas Nikula ja dos. FT Harri Hakala (PerkinElmer,Wallac Oy) MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Veritäpläpohjaisen fragiili X -testauksen osoitettiin soveltuvan niin vastasyntyneiden kuin kantajien seulontaan. Työssä pystytettiin automatisoitu DNA-eristysmenetelmä, joka soveltuu fragiili X -oireyhtymän ja sen kantajien testaukseen PerkinElmerin FragilEaseTM-polymeraasiketjureaktion (PCR) kanssa. Fragiili X -oireyhtymä on Downin oireyhtymän jälkeen toiseksi tavallisin kehitysvammaisuuden syy. Kokonaisuudessaan testaus koostui DNA-eristyksestä veritäplistä, FragilEaseTMPCR:stä, PCR-tuotteen puhdistuksesta ja monistustuotteiden havainnoinnista kapillaarigeelielektroforeesilla. Työssä jokaista vaihetta optimoitiin veritäplätestaukseen sopivaksi. Fragiili X -testaus todistettiin toimivaksi sekä aikuisten että vastasyntyneiden veritäplillä. Veritäplät ovat yleisesti käytössä oleva näytematriisi vastasyntyneiden seulonnassa. Verinäyte otetaan lapselta ensimmäisten elinvuorokausien aikana imeyttämällä verta kantapäästä suodatinpaperille. Fragiili X -oireyhtymä on perinnöllinen. Sen aiheuttajana on X-kromosomissa sijaitseva virheellinen FMR1-geeni. Geenivirheen laajuudesta riippuen puhutaan esimutaatiosta tai täysmutaatiosta. Esimutaatio voi laajentua täysmutaatioksi jo yhden sukupolven aikana. Sen kantajilla on todettu monenlaisia oireita, kuten ennenaikaista munasarjojen vajaatoimintaa ja neurologista rappeumasairautta. Täysmutaatiota kantavilla miehillä on aina fragiili X -oireyhtymä, kun taas naisilla toisen terveen Xkromosomin suojavaikutus yleensä lieventää oireita sekä täys- että esimutaatiotapauksissa. Oireyhtymän yleisyyden, laajan oirekirjon ja fragiili X oireyhtymää lieventävien lääkkeiden kehityksen takia kiinnostus vastasyntyneiden ja kantajien seulontaa kohtaan on kasvanut. 27 Nanokokoiset, valoa tuottavat hiukkaset – lupaava uusi apuväline sydäninfarktin havaitsemiseen Annika Lyytikäinen Ohjaajat: FM Nina Sirkka, FM Riikka Arppe ja prof. Tero Soukka MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Sydänperäistä troponiini I-merkkiainetta (cTnI) vapautuu verenkiertoon pieniä määriä sydänlihaksen vaurioituessa. Erikoistyötutkimukseni osoitti, että valoa tuottavilla nanokokoisilla hiukkasilla, joita kutsutaan upkonvertoiviksi nanopartikkeleiksi (UCNP), on mahdollista havaita erittäin pieniä cTnI-määriä. cTnI:n havaitseminen potilasnäytteistä vaatii kuitenkin vielä lisätutkimusta. Jotta UCNP:a voidaan käyttää cTnI:n havaitsemiseen, ne pitää pinnoittaa vesiliukoisiksi ja niihin pitää kiinnittää cTnI:tä tunnistava vasta-ainemolekyyli. Pinnoitin tutimuksessa käytetyt UCNP:t polyakryylihappopolymeerillä. Tämä pinnoitusmenetelmä paransi cTnI-määrityksen toistettavuutta ja lisäksi pystyin havaitsemaan pienempiä cTnI-määriä, kuin perinteisellä silikapinnoitusmenetelmällä. Erittäin pienten cTnI-määrien havaitseminen auttaa sydäninfarktin aikaista tunnistamista ja oikean hoidon nopeaa aloitusta. UCNP:t tuottavat vihreää valoa, kun mittalaitteen laserin silmille näkymätön infrapunavalo osuu niihin. Vihreän valon määrä kertoo cTnI-määrän. Muista valoa tuottavista hiukkasista poiketen UCNP:n käyttö poistaa määrityksestä häiriötekijöitä sekä sallii yksinkertaisten ja edullisten mittalaitteiden käytön. 28 DNA-sekvenssin ymmärtäminen – avain tehokkaampaan proteiinituottoon Antti Kulmala Ohjaajat: FT Tuomas Huovinen, FT Eeva-Christine Brockmann, FT Urpo Lamminmäki MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Erilaisten proteiinien tuottaminen bakteereissa on yksi nykyaikaisen bioteknologian kulmakiviä. Geneettisen koodin runsauden vuoksi samaa proteiinia voidaan tuottaa useammalla DNA-sekvenssillä. Tällaisten proteiinin aminohapposekvenssiä muuttamattomien DNA-sekvenssimuutosten on aiemmin ajateltu vaikuttavan varsin vähän esimerkiksi proteiinin kolmiulotteiseen rakenteeseen. Tutkimuksessa todistettiin, kuinka dramaattinen ero kahdella DNA-sekvenssiltään erilaisella, mutta saman aminohapposekvenssin tuottavalla geenillä voi olla solun elinkykyyn ja proteiinituottoon. Nämä havainnot auttavat ymmärtämään vierasperäisten proteiinien, esimerkiksi vasta-aineiden osien, tuottamista bakteerisoluissa. Vasta-aineiden osien tuoton tehostaminen tuotantokustannuksiltaan edullisissa bakteerisoluissa on tärkeää, koska vasta-aineilla on paljon merkittäviä sovelluskohteita. Vasta-aineita käytetään esimerkiksi lääkinnällisiin tarkoituksiin syöpähoidoissa ja diagnostiikassa erilaisten tautien havaitsemiseen. 29 Malariadiagnostiikan kehittäminen vasta-aineiden mutaatioiden avulla Teppo Heimo Ohjaajat: FT Ramkrashan Kasera, FT Urpo Lamminmäki MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Heimo paransi erikoistyössään malariainfektion tunnistavien vasta-aineiden ominaisuuksia, jotka edesauttavat parempien diagnostisten testien valmistamisen. Menetelmällä voidaan kehittää vasta-aineiden rakennetta ja lämpökestävyyttä ja sitoutumista kohteeseensa. Erikoistyössä Heimo muodosti satunnaisia mutaatioita vasteainegeeniin, saadakseen aikaan kestävämpiä ja paremmin sekä tarkemmin kohteeseensa sitoutuvia vastaaineklooneja. Eri vasta-ainegeenin osiin tehtyjen mutaatioiden aikaansaamia vastaainevariantteja ilmennettiin bakteeriviruksen pinnalla, jonka avulla parantuneet vastaainekloonit analysoitiin. Tulevaisuuden työkalut malariadiagnostiikkaan Erään arvion mukaan malariaan sairastuu vuosittain noin 200 miljoonaa ihmistä ja se aiheuttaa vuosittain noin 600 000 ihmisen kuoleman, johtuen pitkälti viivästyneestä tai väärästä diagnoosista. Perinteinen malariadiagnostiikka on työlästä, aikaa vievää ja tarvitsee usein koulutetun henkilöstön suorittamaan testin. DNA-mutaatioiden ja näiden seulonnan avulla on mahdollista nopeasti ja kustannustehokkaasti jäljitellä luonnossa esiintyvää vasta-aineiden muokkausta sekä kehittää vasta-aineiden sitoutumiseen perustuvaa diagnostiikkaa. 30 Uusia vasta-aineita eri luustolihassairauksien diagnosointiin käytettävien testien kehittämiseen Susanna Lammi Ohjaajat: FT Eeva-Christine Brockmann, FT Tanja Savukoski, FM Heidi Hyytiä MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Erikoistyössä on löydetty uusia vasta-aineita luustolihasperäiselle troponiini I:lle. Tällä hetkellä markkinoilla ei ole kaupallisia vasta-aineita eikä niihin perustuvia diagnostisia testejä, joiden avulla erilaisia vaikeasti tunnistettavia luustolihassairauksia voitaisiin diagnosoida paremmin, ja hoidon aloittamista nopeuttaa. Erikoistyön löydös on lupaava, sillä löydettyjä vasta-aineita on mahdollista käyttää tällaisten testien kehittämiseen. Troponiinit I, T ja C ovat sydän- ja luustolihasten rakenneproteiineja, jotka osallistuvat lihasten supistumiseen. Lihasvaurion seurauksena soluista vapautuu troponiineja verenkiertoon, jolloin niitä pystytään mittamaan diagnostisin testein. Sydän- ja luustolihaksissa esiintyvät troponiinit I ja T eroavat hieman, minkä vuoksi ne pystytään erottamaan toisistaan. Koska sydänperäiset troponiini I ja T ovat vakiinnuttaneet asemansa sydäninfarktin diagnostiikassa ja riskinarvioinnissa, voisivat luustolihasperäiset troponiinit I ja T olla hyödyllisiä merkkiaineita luustolihassairauksien diagnostiikassa. Luustolihasperäisen troponiini I:n tunnistavat vasta-aineet mahdollistaisivat tällaisen tutkimuksen. 31 Eturauhassyövän diagnosointiin apua eksosomeista? Niklas Ekman Ohjaajat: FM Janne Leivo, FT Urpo Lamminmäki MOLEKULAARINEN BIOTEKNIIKKA JA DIAGNOSTIIKKA Uusi merkkiaine eturauhassyövälle voi löytyä pienistä eksosomeiksi kutsutuista vesikkeleistä. Eturauhassyövästä paranemisen kannalta on ensiarvoisen tärkeää tehdä diagnoosi mahdollisimman varhaisessa vaiheessa. Ensimmäinen epäilys syövästä perustuu usein PSA-nimisen merkkiaineen mittaamiseen. Uusia merkkiaineita tarvitaan, koska PSAarvot voivat kohota myös esimerkiksi eturauhasen hyvälaatuisen liikakasvun johdosta ja johtaa tarpeettomiin hoitoihin. Merkkiaineiden etsintää saattavat helpottaa solujen erittämät pienet vesikkelit, eksosomit, joita voidaan helposti eristää virtsasta. Erikoistyössäni vertasin keskenään eturauhassyöpäpotilailta, eturauhasen hyvälaatuista liikakasvua sairastavilta ja terveiltä eristettyjen eksosomien pintarakenteita. Miljardeja erilaisia vasta-aineita sisältävästä kirjastosta seulottiin vasta-aineita eri lähteistä eristetyille eksosomeille. Tutkimus jatkuu näiden vasta-aineiden geenien sekvensoinnilla ja datan analysoinnilla. Tarkoituksena on löytää joukosta vasta-aineita, jotka sitoutuvat vain syöpäperäisiin eksosomeihin. Näiden sitomat proteiinit voisivat toimia uusina merkkiaineina eturauhassyövälle. 32