Veijo Hänninen

Atomeja ja molekyylejä kuvaten

Atomeja ja molekyylejä on jo pitkään kuvattu yksittäin mutta kuinka ne käyttäytyvät ryhmässä. jossa ne vuorovaikuttavat toisiinsa. Entä mitä tapahtuu molekyylien maailmassa ja onnistuuko relativistisen liikkeen kuvaus?

Äskettäin kolme kokeellista ryhmää, yksi École Normale Supérieuresta Pariisista ja kaksi MIT:stä, ovat kuvanneet yksittäisten atomien sijainnit kylmässä, tasaisessa kaasussa paljastaen atomien kvanttikorrelaatioita. Näin on saatu kuvia yksittäisistä atomeista, jotka ovat vapaasti vuorovaikutuksessa avaruudellisessa tilassa. Kuvat paljastavat "vapaasti liikkuvien" hiukkasten välisiä korrelaatioita, joita tähän asti on ennustettu, mutta ei koskaan havaittu suoraan.

Löydökset auttavat tiedemiehiä visualisoimaan ennennäkemättömiä kvantti-ilmiöitä todellisessa tilassa.

Kuvat otettiin käyttäen leikkaavia lasersäteitä optisen hilan muodostamiseen. Kun tämä hila kytkettiin päälle, vapaasti liikkuvat atomit kiinnittyivät äkillisesti, jolloin niiden sijainnista saatiin tilannekuva.

Esimerkiksi MIT:n fyysikot sovelsivat tekniikkaa erityyppisten atomipilvien visualisointiin ja tekivät useita kuvantamisalan ensimmäisiä saavutuksia. Tutkijat havaitsivat suoraan "bosoneina" tunnettuja atomeja, jotka kvantti-ilmiössä kasaantuivat muodostaen aallon. He myös kuvasivat "fermioneina" tunnettuja atomeja pariutuessaan vapaassa tilassa – tämä on keskeinen mekanismi, joka mahdollistaa suprajohtavuuden.

”Pystymme näkemään yksittäisiä atomeja näissä mielenkiintoisissa atomipilvissä ja sen mitä ne tekevät suhteessa toisiinsa, mikä on kaunista”, sanoo MIT:n fysiikan professori Martin Zwierlein.

Yksittäisen atomin halkaisija on noin kymmenesosa nanometristä ja atomit käyttäytyvät ja vuorovaikuttavat kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisesti; juuri niiden kvanttiluonne tekee atomien ymmärtämisen vaikeaksi. Emme esimerkiksi voi samanaikaisesti tietää tarkalleen, missä atomi on ja kuinka nopeasti se liikkuu.

”Näiden uusien tekniikoiden avulla voi nähdä atomipilven kokonaismuodon ja rakenteen, mutta ei yksittäisiä atomeja itseään”, Zwierlein huomauttaa. ”Se on kuin näkisi pilven taivaalla, mutta ei yksittäisiä vesimolekyylejä, joista pilvi koostuu.”

Nippuja ja pareja

Tutkimusryhmä kuitenkin sovelsi kuvantamistekniikkaa havaitakseen suoraan sekä bosonien että fermionien välisiä vuorovaikutuksia. Fotonit ovat esimerkki bosonista, kun taas elektronit ovat eräs fermionityyppi. Atomit voivat olla bosoneja tai fermioneja kokonaisspininsä mukaan, joka määräytyy sen mukaan, onko niiden protonien, neutronien ja elektronien kokonaismäärä parillinen vai pariton. Yleisesti ottaen bosonit vetävät puoleensa, kun taas fermionit hylkivät toisiaan.

Zwierlein ja hänen kollegansa kuvasivat ensimmäisenä natriumatomeista koostuvan bosonipilven. Matalissa lämpötiloissa bosonipilvi muodostaa niin sanotun Bose-Einstein-kondensaatin – olomuodon, jossa kaikilla bosoneilla on yksi ja sama kvanttitila.

Zwierleinin ryhmä pystyy nyt kuvaamaan yksittäisiä natriumatomeja pilvessä ja tarkkailemaan niiden kvanttivuorovaikutuksia. On jo pitkään ennustettu, että bosonien pitäisi "kasaantua" yhteen, jolloin niillä on suurempi todennäköisyys olla lähellä toisiaan. Tämä kasautuminen on suora seuraus niiden kyvystä jakaa yksi ja sama kvanttimekaaninen aalto. Tämän aaltomaisen luonteen ennusti ensimmäisenä fyysikko Louis de Broglie. Juuri "de Broglie -aalto" -hypoteesi osittain käynnisti modernin kvanttimekaniikan alun.

”Ymmärrämme maailmasta paljon enemmän tämän aaltomaisen luonteen ansiosta”, Zwierlein sanoo. ”Mutta näiden kvanttimaisten, aaltomaisten vaikutusten havaitseminen on todella vaikeaa. Uudessa mikroskoopissamme voimme kuitenkin visualisoida tämän aallon suoraan.”

Kuvantamiskokeissaan MIT-tiimi pystyi ensimmäistä kertaa in situ näkemään bosonien kasautumisen yhteen, kun ne jakoivat yhden kvanttikorreloidun de Broglie -aallon.

Tiimi kuvasi myös kaksityyppisen litiumatomin pilven. Kumpikin atomityyppi on fermioni, joka luonnostaan hylkii omaa lajiaan, mutta joka voi olla voimakkaassa vuorovaikutuksessa muiden tiettyjen fermionityyppien kanssa. Pilveä kuvatessaan tutkijat havaitsivat, että vastakkaiset fermionityypit todellakin olivat vuorovaikutuksessa ja muodostivat fermionipareja – kytkentä, jonka he pystyivät näkemään suoraan ensimmäistä kertaa.

Jatkossa tiimi soveltaa kuvantamistekniikkaansa visualisoidakseen eksoottisempia ja vähemmän ymmärrettyjä ilmiöitä, kuten "kvantti-Hall-fysiikkaa" – tilanteita, joissa vuorovaikuttavat elektronit osoittavat uusia korreloivia käyttäytymismalleja magneettikentän läsnä ollessa.

Tehdä liikkuvat molekyylit näkyviksi

Monitieteinen tutkimusryhmä DESY:n vapaaelektronilasertutkimuksen keskuksesta (CFEL), rakennebiologian keskuksesta (CSSB), Hampurin yliopiston ultrafast Imaging -keskuksesta (CUI) sekä Uppsalan yliopistosta on julkaissut katsauksen, joka valottaa kahden rakennebiologian keskeisen teknologian, röntgenkuvantamisen ja kryoelektronimikroskopian (cryo-EM), yhdistämisen tulevaisuuden potentiaalia.

Yhdistämällä näillä kahdella alalla erikseen kehitettyjä ideoita ja lähestymistapoja tutkijat korostavat uusia tapoja visualisoida biologisia prosesseja reaaliajassa ja korkealla resoluutiolla – lupaava lähestymistapa tulevaisuuden molekyylikalvojen ja personoitujen lääkkeiden kehittämiseen.

Miten molekyylit liikkuvat elävissä soluissa? Miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään? Miten näitä prosesseja voidaan visualisoida ja hallita? Nämä ovat keskeisiä kysymyksiä rakennebiologiassa ja fysiikassa. Vaikka erilaiset menetelmät mahdollistavat jo ymmärryksen molekyylidynamiikasta, tutkijoiden on vaikea visualisoida rakenteellisia muutoksia korkealla ajallisella ja paikallisella resoluutiolla.

"Biologiset toiminnot perustuvat molekyylien, atomien ja elektronien liikkeisiin, jotka tapahtuvat eri aikaskaaloilla", selittää Amir Banari, CUI:n tutkija ja tämän tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja. ”Tiimimme kehittää tähän uusia metodologisia lähestymistapoja – erityisesti yhdistämällä kryoelektronimikroskopiaa ja röntgenkuvantamista.”

Kahden menetelmän yhdistäminen

Aikaerotteisen rakennebiologian tavoitteena on vangita biologisia molekyylejä paitsi staattisina rakenteina, myös liikkeessä – ja näin saada tärkeää tietämystä niiden toiminnasta. Tämän tutkimusmenetelmän suurin haaste on, että monet näistä reaktioista tapahtuvat erittäin nopeasti ja perinteiset kuvantamismenetelmät tallentavat usein vain stabiileja tiloja.

Samalla tutkimuksessa käytetty voimakas säteily vahingoittaa herkkiä näytteitä. Näiden esteiden voittamiseksi tutkimusryhmä luottaa kahden toisiaan täydentävän rakennebiologian menetelmän kohdennettuun yhdistelmään: kryoelektronimikroskopiaan ja röntgenkristallografiaan.

Julkaisussaan he pystyivät osoittamaan, kuinka nämä kaksi täydentävät toisiaan täydellisesti. "Työllämme rakennamme siltaa näiden aiemmin erillisten menetelmien välille", sanoo DESY-tutkija Dominik Oberthür. "Uudet valmistusmenetelmät, sarjamainen datankeruu ja tekoälyllä tuetut analyysit ovat avainasemassa molempien maailmojen vahvuuksien yhdistämisessä."

Tulevaisuuden näkymät

Aikaerotteisen rakennebiologian löydökset ja kryo-EM:n ja röntgentutkimuksen synergiat lupaavat laajan valikoiman sovelluksia, kuten kohdennetumman vaikutuksen ja vähemmän sivuvaikutuksia omaavien lääkkeiden kehittämistä, räätälöityjen hoitojen avulla tapahtuvan yksilöllisen lääketieteen edistymistä sekä bioteknologian ja energiatutkimuksen innovaatioita. ”Ymmärtämällä, miten biomolekyylit muuttuvat rakenteellisesti reaktioiden aikana, voimme esimerkiksi kehittää lääkkeitä, jotka kohdistuvat erityisesti ohimeneviin tai välitiloihin”, selittää tutkimuksen toinen kirjoittaja Anna Munke.

Tutkimusryhmä aikoo parantaa entisestään kryo-EM-tekniikoiden integrointia röntgenkuvantamiseen ja diffraktioon röntgenvapaiden elektronien laser- ja synkrotronilaitoksissa.

”Pitkän aikavälin tavoitteemme on visualisoida jopa monimutkaisia prosesseja elävissä soluissa ennennäkemättömällä tarkkuudella.” sanoo DESY:n johtava tutkija, professori Henry Chapman

Erityinen suhteellisuusteoria näkyväksi

Kun kappale liikkuu erittäin nopeasti – lähellä valonnopeutta – tietyt itsestäänselvyyksinä pitämämme perusoletukset eivät enää päde. Tämä on Albert Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian keskeinen seuraus. Kappaleella on tällöin eri pituus kuin levossa, ja aika kuluu kappaleelle eri tavalla kuin laboratoriossa.

Yhtä mielenkiintoista suhteellisuusteorian seurausta ei kuitenkaan ole vielä havaittu – niin kutsuttua Terrell-Penrose-ilmiötä. Vuonna 1959 fyysikot James Terrell ja Roger Penrose päättelivät toisistaan riippumatta, että nopeasti liikkuvien kappaleiden pitäisi näyttää pyörineiltä. Tätä ilmiötä ei kuitenkaan ole koskaan osoitettu.

Nyt TU Wienin ja Wienin yliopiston yhteistyönä on ensimmäistä kertaa onnistuttu toistamaan ilmiö laserpulssien ja tarkkuuskameroiden avulla – kaksi metriä sekunnissa kulkevalla efektiivisellä valonnopeudella.

"Oletetaan, että raketti kiitää ohitsemme 90 prosentin nopeudella valonnopeudesta. Meille se ei ole enää sama pituus kuin ennen lähtöä, vaan 2,3 kertaa lyhyempi", selittää professori Peter Schattschneider TU Wienistä. Tämä on relativistinen pituussupistus, joka tunnetaan myös Lorentzin supistuksena.

Tätä supistumista ei kuitenkaan voida valokuvata. "Jos haluaisit ottaa kuvan raketista sen lentäessä ohi, sinun pitäisi ottaa huomioon, että valon saapuminen kameraan eri pisteistä kesti eri aikoja", Schattschneider selittää.

Kohteen eri osista tuleva ja linssiin tai silmään samaan aikaan saapuva valo ei emittoitunut samaan aikaan – ja tämä johtaa monimutkaisiin optisiin efekteihin.

Vauhdikas kuutio: Näennäisesti kiertynyt

Kuvitellaan, että supernopea kappale on kuutio. Silloin meistä poispäin oleva sivu on kauempana kuin meitä päin oleva sivu. Jos kaksi fotonia osuu silmäämme samaan aikaan, toinen kuution etukulmasta ja toinen takakulmasta, takakulmasta tullut fotoni on kulkenut pidemmälle. Joten sen on täytynyt emittoitua aikaisemmin. Ja tuolloin kuutio ei ollut samassa paikassa kuin silloin, kun valo emittoitui etukulmasta.

"Tämä saa meidät näkemään kuvan kuution pyörähdyksenä", Schattschneider sanoo. Tämä on yhdistelmä relativistista pituuden supistumista ja valon erilaisista kulkuajoista eri pisteistä. Yhdessä tämä johtaa näennäiseen pyörimiseen, kuten Terrell ja Penrose ennustivat.

Teknisesti on tällä hetkellä mahdotonta kiihdyttää raketteja nopeuteen, jolla tämä ilmiö voitaisiin nähdä valokuvassa. Peter Schattschneiderin johtama ryhmä TU Wienissä löysi kuitenkin taiteesta inspiroituneen ratkaisun: he käyttivät erittäin lyhyitä laserpulsseja ja nopeaa kameraa ilmiön luomiseen laboratoriossa.

Tutkijat loivat tilanteen, jossa valon nopeus oli vain kaksi metriä sekunnissa jolloin kuution ja pallon siirtely ja tallennus suurnopeuskameralla loivat hieman käytännöllisemmän kuvaustilanteen.

"Ja tulos oli juuri sitä mitä odotimme", Schattschneider sanoo. "Kuutio näyttää vääntyneeltä, pallo pysyy pallona, mutta pohjoisnapa on eri paikassa."

Tulokset saattavat auttaa meitä ymmärtämään suhteellisuusteorian intuitiivisesti vaikeasti saavutettavaa maailmaa hieman paremmin toteavat tutkijat.

Kesäkuu 2025