Computational Modeling of Functional Gold Nanoparticles in Biological Environment

Tutkimuksessa mallinnettiin kultananohiukkasia laskennallisen molekyylidynamiikan keinoin biologisesti relevantissa ympäristössä. Kultananohiukkasia ja solukalvoja kuvaamaan luotiin teoreettiset mallit, joille suoritettiin atomitason simulaatioita. Tutkimuksella saavutettiin uutta informaatiota kultananohiukkasten vuorovaikutuksista solutasolla.Nanohiukkasia käytetään nykypäivänä teknologiassa yhä enenevissä määrin ja mitä moninaisimpiin tarkoituksiin. Käyttökohteita ovat muun muassa nanolääketieteen syöpähoidot, puhdistusaineet, kosmetiikka sekä uudet teollisuusmateriaalit. Kultananohiukkaset muodostavat yhden lukuisista nanohiukkastyypeistä. Viimeaikaiset tutkimuslöydökset ovat antaneet viitteitä siitä, että nanohiukkasilla olisi sytotoksisia ominaisuuksia. Erityisesti pienten, 2-nm kokoisten ja sitä pienempien, nanohiukkasten on todettu kulkeutuvan solukalvojen läpi ja aiheuttavan solukuolemia. Mahdollisten terveyshaittojen vuoksi kultananohiukkasten solutason vaikutusten kartoittaminen on tärkeää. Lisäksi nanohiukkasten ja solukalvojen vuorovaikutusprosessien ymmärtäminen on merkityksellistä, sillä kaikki liikenne solujen sisä- ja ulkopuolen välillä on solukalvovälitteistä.Tutkimuksen ensimmäisessä osassa tarkasteltiin kultananohiukkasten ominaisuuksia nestemäisessä vesiliuoksessa fysiologisessa lämpötilassa (310 K). Tulokset osoittivat, että sähköstaattiset vuorovaikutukset karakterisoivat kultananohiukkasten käyttäytymistä vesiliuoksessa. Tutkimuksessa selvisi, että kultananohiukkaset muodostavat yhdessä ionien ja veden kanssa komplekseja eikä niitä tule näin ollen käsitellä irrallisina kappaleina. Kompleksoitumisen keskeiseksi aiheuttajaksi osoittautui sähköstatiikka. Tuloksista tehtiin johtopäätös, että pitkän kantaman sähköiset vuorovaikutukset ovat tärkeässä osassa myös kultananohiukkasten ja solukalvojen välisessä dynamiikassa.Tutkittaessa kultananohiukkasen sitoutumista solukalvon pinnalle sekä solukalvon uudelleenjärjestäytymistä, havaittiin, että ilmöiden taustalla on yhteisvaikutteinen prosessi, johon osallistuvat kultananohiukkaset, vastaionit, vesi ja solukalvo. Tulokset puhuvat sen puolesta, että kultananohiukkasen kulkeutuminen solukalvoon voisi tapahtua kalvorakkulan muodostumisen kautta, johtaen solukalvon toiminnan häiriintymiseen. Yksi mahdollinen mekanismi sytotoksisuudelle olisi tulosten perusteella positiivisesti varatun nanopartikkelin solukalvon ulkopintaan sitoutumisesta aiheutuva fosfadityyliseriinin translokaatio, joka käynnistää apoptoosin.